随着人类社会的发展,能源与环境面临着双重危机,能源是人类社会进一步发展的保障,而环境则是人类赖以生存的根基。因此寻找清洁能源和转变能源使用方式是解决当前能源与环境问题的关键。燃料电池是一种高效且清洁无污染的能源转换设备。传统燃料电池的阴极材料都是Pt基贵金属来担任,由于Pt基贵金属价格昂贵、资源稀少且其耐久性差,因此寻找新型燃料电池的电极材料是解决燃料电池当前困境的关键。由于新兴的二维材料和单原子催化的概念在理论和实验上都获得了较大进展,因此,本文基于第一性原理计算的密度泛函理论计算手段研究了黑磷作为燃料电池阴极材料的性能,以及Pt掺杂石墨烯材料上面氧分子的活性与外加电场的关系。研究成果如下:1、研究了氧化还原反应过程中中间产物在黑磷表面的吸附特性以及在黑磷表面上的几种氧化还原反应机理。结果表明,H在黑磷表面的吸附比O2在黑磷表面的吸附更容易,并且OOH由吸附的H和O2自发形成。OOH继续氢化生成HOOH,HOOH可能进一步氢化形成OH和H2O,并且OH仍然会进一步氢化最终生成第二个H2O。整个反应的限速步为1.02 eV。此外,通过吉布斯自由能计算和热力学模拟证实了所提出的动力学过程。这些结果表明,作为新型二维材料的磷烯可能是有前途的PEMFC非金属阴极材料。2、氧分子与石墨基纳米材料之间的相互作用在气体储存、传感器、催化剂等领域发挥着重要作用,我们通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,研究了外加电场对O2与Pt掺杂石墨烯（Pt/Graphene）衬底相互作用的影响。研究发现,在正电场作用下,O2的中心向Pt原子的正上方移动,O2在Pt/Graphene基底上的吸附能增加,同时O2的键长变长。在负电场作用下,氧分子的几何结构以及吸附能随电场的变化和在正电场的时候相反。接下来,我们从电子结构层面来研究了这种效应的起因,发现外加电场可以调节转移到O2的电荷量,并且转移到O2的电荷量主要来占据O2的Πp*轨道,氧分子的反键轨道被电荷占据的多少可以直接影响O2的活性。因此我们能够通过施加特定的电场来调控氧分子的活性。3、由于新型清洁能源最终都将转换为电能,作为电能存储设备的锂离子电池,目前已经发展的相当成熟,但是由于锂资源缺乏,这将严重阻碍电能的存储和使用,本文的最后一部分通过和实验合作共同探讨了锂离子电池的替代者钠离子电池。并且共同研究了P掺杂双层石墨烯结构和N掺杂石墨烯、MoS2组成异质结构的这两种材料作为钠离子电池电极的性能。