研制高效的纳米催化剂是解决能源短缺和环境污染的有效途径之一。随着纳米技术的蓬勃发展,贵金属基纳米团簇因其独特的物理化学特性,在催化领域引起广泛关注。例如,贵金属与廉价金属合金化后的纳米团簇,尤其是“皇冠宝石”结构的合金纳米团簇,在节约成本的同时又大大提高了电催化活性,已经成为催化领域的一个重要研究课题。另外,贵金属作为内核的核壳结构也是提升催化活性的另一种手段,比如贵金属-半导体核壳结构的纳米团簇表现出优异的光学性质和光催化性能。因此,贵金属基纳米团簇作为有前途的纳米催化剂值得深入研究,它有望在缓解能源短缺和治理环境中发挥重要作用。基于上述原因,本论文使用第一性原理计算结合分子动力学模拟方法,研究贵金属基纳米团簇催化剂的结构性质、催化性质、光学性质和电子结构等特性。具体研究内容如下:（1）本文设计了一系列具有“皇冠宝石”结构的铂基合金团簇。通过第一性原理计算,系统地研究了这些“皇冠宝石”结构的氧还原催化活性和热力学稳定性,筛选得出“皇冠宝石”结构的PtCu合金团簇表现出与Pt催化剂相当甚至更好的催化活性,同时该结构还具有很高的热力学稳定性。然后,通过分析电子特性,解释了这些合金团簇催化剂的氧吸附能和氧还原催化活性的变化趋势。最后,构建了一种价电子与Bader电荷耦合的描述符以进一步探讨电子结构和催化活性之间的相关性,可用于精准预测合金团簇的氧还原催化活性。（2）通过第一性原理方法计算了“皇冠宝石”结构的PdCu合金团簇对析氢反应和氧还原反应的催化活性,并通过分析电子结构解释该PdCu团簇具有高催化活性的原因。由于纳米团簇的合成通常需要很高的煅烧温度,本文使用分子动力学方法研究了“皇冠宝石”结构的PdCu团簇的加热过程和热力学稳定性,有趣的是,在PdCu合金团簇中发现了一种从立方八面体结构到二十面体结构的结构转变。最后,讨论了团簇的尺寸和形状对这些性质的影响。（3）结构稳定性是表征催化剂的一个重要指标,结构的演变更是直接影响催化剂的活性,研究合金团簇的热力学稳定性和结构演变对于设计高效的催化剂至关重要。本文通过分子动力学方法模拟了不同类型的PdCu合金团簇的加热过程,研究了团簇尺寸、表面组分和元素浓度对PdCu团簇的热稳定性和结构演变行为的影响。然后,研究了 PdCu团簇发生从立方八面体到二十面体结构转变的条件和影响因素。最后,通过计算PdCu团簇的过剩能量,讨论二十面体结构转变发生的原因。（4）贵金属-半导体核壳结构中贵金属内核对结构的催化活性起着重要影响,可将贵金属内核的尺寸效应与贵金属-半导体的层间相互作用作为调控活性的手段。本文通过第一性原理计算研究了一系列Agn@（ZnS）42（n=6-16）核壳纳米团簇的结构、光学和电子结构性质。通过计算光吸收系数,发现与ZnS结构相比,Ag@ZnS核壳团簇表现出更高的可见光吸收率并在紫外-可见吸收光谱中发生红移,从而提高了该结构的可见光催化活性。该研究为提高ZnS结构的可见光催化活性提供设计思路。