环境污染和能源危机日益严重,析氢反应和氮还原固氮反应在解决全球性环境污染和能源危机方面展示出了迷人的潜力,探寻高效的催化剂来降低析氢反应和固氮反应的成本吸引了越来越多的科技工作者,同时充分了解析氢和氮还原在高效催化剂上的反应机理可以使人们对其有更深层次的认识,也将帮助人们加速寻找服务于这两个反应的高效催化剂。本文主要研究了掺杂的C₃N单层的电催化析氢性能和硼掺杂的C₉N₄单层的电催化氮还原性能。具体内容如下:1、过渡金属（M）掺杂或过渡金属（M）与N共掺杂的碳基材料作为HER的有效催化剂,可以取代Pt或减少Pt的使用,引起越来越多的关注。这类掺杂C₃N催化剂对HER具有高的催化性能,不需要在C₃N主体中添加其他物质,这一事实在合成方面提供了显著的优势。我们从3d、4d和5d金属中选取了18个原子,通过第一性原理计算研究了嵌入的C₃N单层（M@C₃N）的HER性能。这些分别掺杂C₃N单层的C单原子空位,N单原子空位,C-N双原子空位,C-C双原子空位。在各种M@C₃N体系中,原子嵌入C-C双原子空位的M-CC催化剂是最稳定的。所有的M-CC催化剂都显示出金属导电性和高的热稳定性。并且该系统的金属导电率可以大大提高其电催化HER性能。通过选择合适的原子,可以优化M-CC催化剂的氢结合自由能,使其接近0 e V,并且可以使Tafel机理下的进一步产氢的动力学能垒降低至0.58 e V。研究结果表明,M-CC催化剂的HER催化活性与充分研究的Mo S2纳米结构或Pt催化剂相当,甚至更高。M-CC催化剂的HER活性可以通过催化活性位费米能级附近的电子态分布来说明。本工作为开发具有成本效益的高活性HER催化剂和拓宽C₃N纳米结构的应用提供了新的可能性。2、电催化氮还原反应（NRR）是在环境条件下可持续合成NH3的极具吸引力但极富挑战性的途径。由于其高度稳定的N≡N键,需要寻找高效的催化剂。本工作中,通过第一性原理计算研究了B掺杂的C₉N₄单层（B-C₉N₄）的NRR性能。研究发现,惰性的N₂可以通过N₂和掺杂B原子之间的电子“接受-供给”模式被充分活化。找到B原子十个可能的吸附位点,得到了最稳定构型。并且在最稳定构型上对于N₂的吸附做两种方式,B吸附一个N原子和B同时吸附两个N原子。通过吸附能的计较,吸附能较低的构型更能有效活化N₂分子,所以选择前者吸附方式进行下面的计算。N₂还原分别进行了连续机制和交替机制。随后,N₂还原优先采用交替机制进行,*N₂还原为*N₂H是电势限制步,过电位为0.56 V。此外,B-C₉N₄具有金属性质,可促进还原过程中的电荷转移。B原子的束缚能和从头算动力学模拟证实B-C₉N₄具有良好的稳定性。因此,由于兼具高活性、良好的导电性和优异的稳定性,B-C₉N₄是一种很有前途的非金属N₂还原催化剂。我们的工作不仅为生产NH₃提供了有效的电催化剂,而且为开发用于其它催化反应的高活性、稳固的非金属催化剂开辟了道路。