随着化石燃料资源的枯竭,能源消耗增加,环境保护加强,对可持续和替代能源的需求也在迅速增长。为了解决这些能源问题,可以将化学能直接高效地转化为电能的燃料电池得到了广泛的关注和研究。在燃料电池中,氧还原反应（ORR）在整体性能中起着关键作用,但是氧还原反应是动力学慢反应,因此需要合适的催化剂来加快反应的进行。迄今为止,最有效的催化剂是基于铂（Pt）的催化剂,但是其有限的储量和高昂的价格限制了Pt基催化剂在燃料电池的大规模商业应用。而且,Pt基电极还具有选择性低、耐久性差和易CO中毒等缺点。因此,开发廉价且有效的非金属氧还原反应电催化剂来代替目前使用较多的Pt基催化剂一直是能源和环境领域的热点问题。其中,石墨炔材料是低成本且高效的非金属氧还原反应电催化剂的潜在候选材料。由于石墨炔中sp和sp²碳原子的共存,在决定ORR活性中起重要作用的一些因素鲜为人知。在本论文中,我们采用密度泛函理论计算系统地研究了表面功能化改性（掺杂,卷曲和空位缺陷）对石墨炔材料电子性质和电催化性能的影响,旨在为实验上开发廉价高效催化剂提供理论依据。主要研究内容和结论如下:在第一章中,主要概述了本论文的研究背景及意义,包括燃料电池的发展应用及工作原理,石墨炔材料及其功能化改性之后作为燃料电池催化剂的应用。随后,指出当前研究的目的和意义,以及要解决的问题。在第二章中,主要对密度泛函理论、广义梯度近似理论进行了详细描述,并介绍了相关的计算软件。在第三章中,主要研究了氮（N）原子掺杂石墨双炔（NGDY）之后的ORR催化性能。NGDY材料的理论预测过电势(η_limit^ORR)为0.442 V,与基于Pt的催化剂的电势相当,这表明GDY是一种高效且廉价的非金属ORR催化剂的候选者。结果表明,NGDY良好的ORR性能源于sp-N和sp²-N的协同作用,这排除了以sp-N掺杂为主导因素的实验建议。结果进一步表明,局部正电荷不是预测GDY的ORR性能的明确描述符,取而代之的是ΔG_O与性能具有更好的相关性。此外,反应位点周围的环境对于确定ORR性能至关重要。在第四章中,主要研究了二维石墨炔片卷曲形成一维纳米管之后的电学性质以及ORR催化性能。结果表明γGyNTs均是优良的半导体,带隙范围为1.291 eV至1.928 eV,锯齿型γGyNTs和扶手椅型γGyNTs的带隙显示出衰减的振荡行为,而手性γGyNTs的带隙没有显示出任何与手性或直径相关的振荡行为。当a是正整数时,（2a,m）-γGyNTs具有几乎相同的带隙值。在将石墨炔片卷曲成纳米管时,曲率的存在会对催化活性产生一定的影响。结果表明（5,0）-gGyNT是一种优良的非金属ORR催化剂,其过电势为0.43 V,有效位点数高达16.7%。此外,曲率可以调节活性位点的p电子的暴露程度,从而调节ORR活性。在第五章中,不同类型的双原子缺陷被引入石墨炔之中（αGy,βGy,和γGy）。结果表明,双原子空位仅导致三个Gy系统的面内结构重排。与γGy相比,双原子空位的位置是操纵αGy和βGy的电子性质的关键因素。在移除两个相邻的碳原子之后,缺陷区域碳链的自由度增加,更高自由度的碳链在吸附中间体时更容易发生形变,从而对催化活性造成一定的影响。计算得到DAV1-αGy的η^ORR值为0.435 V,表明石墨炔的双缺陷结构也是一种优良的非金属ORR催化剂。此外,通过基于描述符的方法预测催化活性同样可以应用于石墨炔的双缺陷结构,这对预测和设计新型的催化剂提供了另一种策略。在第六章中,对本论文进行了总结概括,并对今后的工作进行了展望。总之,本论文基于密度泛函理论系统研究了石墨炔表面改性之后的电学性质以及氧还原催化活性。通过表面改性（掺杂,卷曲和空位缺陷）之后,石墨炔的结构会发生一定程度的形变,材料的电学性质也随之改变。在改性之后结构不再具有对称性,碳原子的电荷量也不再等价,带来了更高以及更多高催化活性的反应位点。我们还发现在对石墨炔改性之后,受改性的影响仅通过正电荷并不能准确预测高活性反应位点。另外,基于描述符的方法来预测催化活性在本论文所研究的体系中得到了很好的应用,这对进一步了解基于石墨炔催化剂的催化活性非常重要,同时对设计开发新型能源材料也提供了全新的思路。