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随着科学的进步和发展,越来越多的研究者致力于发展高效纳米催化材料以期解决日益严重的能源和环境污染问题。相比于传统负载型金属催化剂,“单原子”催化在效率上“以一当十”。特别是对于贵金属来说,制备单原子金属催化剂更是降低其成本、提升其性能的一个重要研究突破口。综合国内外研究现状及单原子催化剂在多个催化领域的巨大潜力,本文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了CO在h-BN负载的金属单原子催化剂上的氧化过程,以及团簇结构的搜索和性质的研究,主要工作及结果如下:1.我们系统地研究了CO在单原子Pd,Ag掺杂的h-BN的体系上（Pd1-BN和Ag1-BN）的催化氧化。根据单原子Pd,Ag在B缺陷的h-BN上（BV/BN）的吸附能和扩散势垒得出,它们均可以在BV/BN上以单原子形式存在且保持固定。接着模拟计算了两个传统的Eley-Rideal（ER）和Langmuir-Hinshelwood（LH）机理和一个最新发现的三分子ER机理（TER）。根据CO氧化反应在不同机理中限速步的势垒,可以得出,传统的LH机理和新型的TER机理在低温下是可以发生的。由于CO活化O2,在单原子催化剂Pd1-BN和Ag1-BN上,拥有最小限速步势垒的TER是最有利的机理。更重要的是,第一性原理分子动力学模拟证明TER机理在室温下可以发生。这些研究将有助于设计更高效的单原子催化剂。2.在理论工作中,因为团簇复杂的势能面（随着尺寸的增加,局域稳定结构也随着增加）,以及体材料和表面材料的竞争,预测团簇的全局最优结构是一个很大的挑战。我们采用基于粒子群优化算法的CALYPSO程序分别得到了PtmPdn（m+n=5）和PtPdSin（n=1-7）的全局最优结构。在Pt-Pd团簇中,结果显示Pd可以改变纯Pt5团簇的形貌和化学成分（从二维平面结构到三维结构）,并且对于O2分解的活性也有明显的提高,其中,Pt4Pd1团簇表现出最好的活性。在Si基团簇中,发现中性和带电的PtPdSi4团簇,中性和带负电荷的PtPdSi5团簇,带正电荷的PtPdSi7团簇中均存在手性。此外第一性原理分子动力学模拟展示在400K时中性PtPdSi4团簇的两个手性镜像体之间存在转变,此转变的势垒只有0.09eV。关于团簇部分的研究工作不仅有助于学习CALYPSO搜索团簇结构,而且阐明根据化学成分和形貌设计低成本高效率合金团簇催化剂和帮助理解Si基团簇手性及其转换。