当今社会的发展面临着能源需求不断增长、化石燃料资源逐渐枯竭以及全球变暖日益严重等诸多问题,这迫切需要我们寻找绿色、清洁、可持续的能源替代方案,包括可再生能源转换技术和可持续能源存储技术。由于具有高效、清洁无污染等优点,电催化技术被认为是解决上述问题的有效手段之一。在电催化技术中,电催化剂是影响电催化性质的关键因素。目前发现的高效电催化剂通常是基于贵金属块体或贵金属氧化物,然而它们的高成本和稀缺性使它们难以大规模商业化应用。另外,在实际应用中,这些电催化剂还面临选择性较低的问题。因此,寻找稳定、低成本、高活性和高选择性的电催化剂对于电催化技术的发展是至关重要的。不同于块体材料,低维材料具有高的比表面积以及丰富的电子性质,这些优势使得低维材料在能源存储和转换等领域具有巨大的应用潜力。近年来,低维材料制备技术日益成熟,大量的低维材料被成功制备和应用,这为低维材料在电催化领域的应用奠定了基础。在本论文中,我们探索并设计了一系列新型低维材料,研究了它们的电子结构及电催化性质,探索了它们在电催化析氢、电池电极以及电催化产氨等领域的应用潜力,并揭示了它们优良催化性能的内在物理机理。这些研究对低维材料在电催化领域的应用提供了有价值的理论参考。本论文共包含六章,第一章简要概述了低维材料的研究进展及在电催化领域的应用。第二章介绍了本论文所涉及的基础理论和第一性原理计算软件包。第三章介绍了二维析氢催化剂的设计和性能调控。第四章探索了二维材料在电池电极中的应用潜力。第五章详细研究了低维材料的电催化产氨性质。第六章总结了本论文的研究内容和创新点,并对电催化性质的未来研究方向进行了展望。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）探索了 A2BS4（A=Ag、Cu;B=Mo、W）单层作为析氢电催化剂的可能性,并发现了 Cu2WS4单层是一个有前景的析氢电催化剂候选材料。我们的计算结果表明A2BS4单层具有动力学和热力学稳定性,并且可以很容易地从相应的块体中剥离出来,具有实验可行性。我们发现仅需要小的缺陷浓度和压缩应力,Cu2WS4单层就可以被调控到很好的析氢电催化活性。通过反应机理的探究,我们进一步揭示了空位和应力对体系催化活性的调控主要是通过调控体系过渡金属原子的d带中心位置来实现的。我们的这一工作丰富了电催化析氢反应的研究。（2）探究了 IVA族单硫化合物MX（M=Ge、Sn;X=S、Se）单层的电催化析氢活性。研究结果表明,M空位能够激发MX表面的电催化析氢活性。尤其是具有Sn空位的SnSe单层和具有Ge空位的GeSe单层,它们可以在低缺陷浓度下表现出优良的电催化析氢活性,其析氢活性与Pt金属的性能相当甚至更好。此外,通过分析应力对H在MX单层表面结合强度的影响,我们阐明了体系具有高析氢活性的机理。该工作拓展了IVA族单硫化合物单层在电催化析氢方面的应用。（3）研究了过渡金属-卟啉单层单原子催化剂在Li-O2电池中的催化活性。通过对可能反应路径的探索,揭示了该类单原子催化剂在Li-O2电池电极上的反应机理并给出了反应产物的化学组成,并发现Fe/Co/Ni/Cu-卟啉单层是优良的可充电Li-O2电池电极催化剂。另外,我们还研究了轴向配体对该类体系催化性质的影响。通过分析无轴向配体和有轴向配体吸附的Fe/Co/Ni/Cu-卟啉的催化活性,我们确定了LiO2的吸附自由能作为该类电催化剂在可充电Li-O2电池中催化活性的描述符。此外,我们证实该描述符也适用于描述Fe/Co/Ni/Cu-卟啉单层在Na-O2电池电极中的催化活性。我们的这一工作不仅为碱氧电池提供了一系列高效的单原子催化剂,而且提出了一种碱氧电池催化剂通用的设计原则。（4）研究了过渡金属原子掺杂的Janus MoSSe单层在氧还原反应、氧析出反应和Na-O2电池电极反应中的催化活性。研究结果表明Ni掺杂的Janus MoSSe单层对燃料电池的氧还原反应和水分解的氧析出反应具有优异的电催化活性:其氧还原反应和氧析出反应均表现出超低过电位,且氧还原反应具有高选择性,法拉第效率接近100%。此外,该催化剂也可应用于可充电Na-O2电池电极,其氧还原反应/氧析出反应的过电位低至0.49/0.59 V。这些性质表明Ni掺杂的Janus MoSSe单层是一种优秀的三功能电催化剂。通过机理分析,我们发现这种优异的催化行为在很大程度上是由内建电场和掺杂原子的协同作用导致的。我们的这些发现不仅使人们对Janus MoSSe单层的催化活性有了更深入的了解,而且对进一步开发高效三功能电催化剂具有重要的指导意义。（5）研究了分子纳米线（即过渡金属-酞菁和过渡金属-卟啉纳米线）的电催化析氢和氮还原活性。通过对20种候选材料体系电催化性质的研究,我们发现Co-酞菁和Co-卟啉纳米线是优秀的析氢电催化剂,而Ti-卟啉、Mo-酞菁和Mo-卟啉纳米线则表现出优异的氮还原反应产氨活性且具有高选择性。我们发现它们的催化活性主要与过渡金属原子d轨道的价电子占据有关。我们的研究不仅首次将电催化体系扩展到了分子纳米线体系,而且为进一步寻找分子纳米线催化剂提供了思路。（6）设计了一种非金属电催化剂——P掺杂的C2N单层,发现其是高效NO还原反应产NH3电催化剂。其中双P掺杂C2N（2P@C2N）单层表现出优异的催化活性（NO还原反应可以自发进行）以及高的NO还原反应产氨选择性。通过对反应机理分析,我们阐明这些优良的催化性质与体系中P原子的sp3杂化有关。此外,利用微观动力学模型分析,我们发现在400 K温度下,2P@C2N单层NO还原为NH3的周转频率高达8.9×105每秒每位点,这表明该体系的NO还原反应产氨过程具有超快的反应速度。我们的研究不仅首次提出了可以去除NO的非金属电催化剂,而且为合成氨提供了一种有效的替代途径。（7）研究了主族金属元素Mg、Al和Ga掺杂的石墨烯基单原子催化剂NO还原反应产NH3的性质,发现这些主族金属元素可作为单原子催化剂的活性中心。基于我们设计的四步筛选流程,在51个具有不同金属配位环境的单原子催化剂候选材料体系中筛选得到了 6个具有高催化活性和高选择性的NO还原反应产NH3主族金属单原子催化剂。其中,我们证实NO的吸附自由能可以用来有效地描述这类单原子催化剂催化活性。此外,我们发现通过对主族金属元素s/p-带占据的调控可以有效地调控它们的催化性能,该物理机理对于其它主族金属元素也同样是适用的。我们的这一工作将单原子催化剂的活性中心扩展到主族金属元素。（8）研究了一系列过渡金属原子修饰的氮化碳单层（g-C3N4）的NO还原产NH3性能,确定了 Cu掺杂的g-C3N4（Cu@g-C3N4）单层是有前景的NO还原产NH3候选体系。其对NO还原产NH3有很好的催化活性,限制电压仅为0.371 V。另外,Cu@g-C3N4单层能有效地抑制竞争性的析氢反应,具有较高的法拉第效率。我们的工作为清洁、可持续的氨生产提供了有前景的单原子催化剂候选材料。