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随着工业技术快速发展,化石能源消耗巨大,能源危机和环境污染问题日渐突出,清洁能源转换装置是解决相关问题的有效方法。燃料电池就是一种具有能源使用率高又不污染环境的能量转化装置。传统燃料电池阴极使用的Pt基催化剂,由于其昂贵的价格、低丰度、低耐久度以及CO中毒等问题,阻碍了其商业化的快速发展。相关实验和理论研究发现,非金属掺杂的石墨烯材料可以做为替代Pt基催化剂的潜在的新型电极催化剂。该文使用基于包含色散矫正的密度泛函理论（DFT-D）的第一性原理方法探索了硫掺杂石墨烯（SGV）上的氧还原反应（ORR）机理,以及硅和磷双掺杂石墨烯（Si-P-G）的直接合成过氧化氢（DSHP）的反应机理,主要研究工作及结果如下:1.通过基于包含色散矫正的密度泛函理论研究了SGV上的氧还原反应机理,并且给出了其动力学和热力学过程的全部细节。计算结果说明,SGV相当稳定,而且S掺杂剂做为潜在的活性中心。根据动力学过程分析,这里有两种ORR可能的路径:OOH解离过程和OOH加氢过程,对应的限速步分别为0.75 eV和0.62 eV。ORR过程的吉布斯自由能表明HOOH加氢是最佳路径,甚至在0.86 V的高电势下也可以进行。DFT-D计算表明SGV是催化ORR过程的高效催化剂。2.通过基于含色散矫正的密度泛函理论研究了Si-P-G上的氧还原反应机理。最稳定的Si-P-G构型中,掺杂剂区域对吸附和还原氧分子扮演了重要的角色。根据动力学和热力学分析,二电子路径是DSHP的还原过程。O2加氢形成OOH是限速步,对应的势垒是0.66 eV。势能面通过计算吉布斯自由能给出。所有的结果表明Si-P-G是一个对DSHP具有高活性和高选择性的催化剂。