能源问题已经成为人类社会发展必须面对的重大挑战之一。传统能源的持续消耗排放了大量的CO、SO2、H2S和NOx等有害气体,导致环境污染日益加重,与此同时,化石能源的储量有限及不可再生性终将使其面临枯竭。因此,对于废气的吸附和转化以及开发燃料电池为代表的新型清洁能源至关重要,催化剂的利用是该领域的关键因素。Au、Ag、Rh和Pt等贵金属可有效吸附气体小分子,并可催化CO氧化及燃料电池正极发生的O2还原反应（ORR）等相关反应,但贵金属的成本高且原子利用率低,不符合绿色化学原则。单原子催化剂（SACs）和负载型团簇催化剂（SMCs）可将活性金属分散至原子尺度下,从而大幅增加原子利用率与催化效率,可靠的SACs和SMCs需要结构和性质稳定的载体材料的支撑。本文通过第一性原理计算,以二维磷烯、六方氮化硼（h-BN）以及零维有机笼CC3分子为载体,设计了一系列具有结构稳定性高、催化活性强的SACs和SMCs,主要内容如下:（1）采用二维磷烯为载体,系统探究了一系列金属原子（Al,Fe,Co,Ni,Cu,Au,Ag,Pt）与其形成负载型和嵌入型SACs的结构稳定性以及在CO氧化反应中的吸附能力,发现嵌入型Ni/磷烯具有优异的性能。Ni在嵌入位点很稳定,还可以有效提高磷烯导电性,并且有利于O2、CO的吸附和CO2的解吸,表现出具有催化CO氧化的潜力。对比研究Langmuir-Hinshelwool（LH）、Eley-Rideal（ER）、Termolecular Eley-Rideal（TER）和New Eley-Rideal（NER）四种反应路径,发现LH机理最有优势,决速步骤活化能仅为0.59 e V,反应放热4.57 e V,且在室温下具有较大的反应速率常数。结果表明Ni/磷烯是一种可在常温下有效催化CO氧化反应的SAC,对开发磷烯嵌入型SACs提供理论依据。（2）h-BN的结构和性质与石墨烯高度类似,可作为载体的备选材料。通过将不同金属原子在h-BN表面进行负载和嵌入B、N位点后对比结构稳定性,发现金属在表面负载时的结合能力较弱,在B位点嵌入（M/h-BNB,M=Al、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Au、Ag、Pt）更加稳定。同时,Fe/h-BNB具有结构优势并可有效活化O2和CO。对四种CO氧化路径进行比较研究,表明优势机理为LH,其决速步骤的活化能仅为0.52 e V,整体过程持续放热,动力学和热力学结果均支持该反应可在室温下进行。因此Fe/h-BNB型SAC可作为高稳定性、高活性的CO氧化催化剂,为设计新型h-BN为基底的非贵金属SACs提供理论指导。（3）在前面工作的基础上,我们深入探索了非贵金属型M/h-BNB（M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn）对于H2S、SO2、NO2、O3、N2O、SO3、NH3、CO和NO的吸附行为。发现Cu/h-BNB和Zn/h-BNB分别对H2S、SO2和O3、CO具有合适的吸附强度,并且Cu/h-BNB和Zn/h-BNB的导电性可对气体吸附做出响应。在298 K下,Cu/h-BNB吸附H2S和SO2,Zn/h-BNB吸附CO和O3的复原时间分别为10.68 s、3.93s、0.14 s和2.51×10~4s。当温度升高至348 K时,Zn/h-BNB吸附O3的复原时间可降至91.85 s。此项研究表明Cu/h-BNB和Zn/h-BNB在气体检测、储存与分离领域具有应用潜能,为发展新型h-BN基气体吸附材料提供理论支持。（4）有机笼CC3分子由于具有固有孔道、高分散性和易重结晶等特点,有可能成为新颖的催化剂载体。我们将代表性的金属团簇Rux和Cux（x=1-19）置于CC3笼中研究其稳定性,发现Ru和Cu单原子在CC3内部负载时容易发生扩散,CC3型SACs的稳定性较差。当x=13时,金属团簇与CC3的匹配程度最高,结合能强,且金属团簇与CC3的形变程度较小,这与实验结果发现的Ru@CC3结果相符。进一步将系列金属簇M13（M=Fe、Rh、Pd、Pt）置于CC3笼内,比较其结构稳定性,发现CC3-Ru13的结构优势最为明显,且对于O2也有更强的活化能力,具有催化ORR的潜能。ORR机理计算表明,O2在CC3-Ru13表面容易发生解离,酸性条件下O原子经过连续质子化还原为H2O为优势路径,决速步骤的能垒为0.86 e V,自由能结果也表明ORR反应在热力学上具有可行性。本工作对于进一步开发设计以CC3为载体的高稳定性SMCs提供理论依据。