在能源可持续发展和环境保护的要求下,将各种清洁能源(如氢燃料,太阳能等)转换成电能的新能源电池技术以及一些新型电池电极新材料(如锂离子电池)的开发都在推进能源结构“绿色化”进程中扮演着重要角色。近年来,包括氢燃料电池,锂离子电池和有机太阳能电池在内的一些新能源转换技术已经得到了比较广泛的关注和研究。其中一些新能源电池技术甚至已经得到了规模化的生产和应用,但是在对其进一步发展和推广的过程中仍然存在一些亟待解决的问题。例如,一旦氢气中的CO杂质等有害气体进入燃料电池中,就会引起燃料电池中Pt催化剂“中毒”,从而造成阴极催化剂不可逆转的损伤。因此,开发高效的CO氧化催化剂对于延长氢燃料电池使用寿命而言非常重要。此外,锂离子电池虽然已经被广泛应用在便携式电子器件领域,但是这种电池不仅充电过程缓慢而且功率比较低。所以,为了改善锂离子电池的相关性能,设计稳定性好,Li迁移能垒较低且储率高的锂电极材料势在必行。再者,聚合物太阳能电池基于其质轻,柔软,无污染等特点也得到了大家的广泛关注。然而,对于聚合物太阳能电池的制备参数和形貌以及器件效率三者之间关系的研究还不够充分,这严重限制了该类型光伏电池效率的提升空间。由此可见,通过理论计算方法来研究相分离动态过程并预测体系性能指标至关重要。我们采用第一性原理计算方法研究了二硫化钼基-铂-单原子催化剂(Single Atomic Catalysts,SACs)在一氧化碳催化氧化反应中的反应机理。基于这种MoS2负载的Pt单原子催化剂,我们不仅能够显著的提高金属原子的利用率而且能够有效降低CO催化氧化反应的能垒。所以这是一种高效的固相催化剂并且在氢燃料电池领域氢-源净化方面有着不错的应用前景。此外,我们还研究了锂化的二维层状硫化物(LixMS2,M=Mo,W,V)作为Li离子电池(Lithium Ion Batteries,LIBs)阳极材料的内在作用机理。经研究发现,Li离子在这种锂化的二维-材料表面上吸附稳定性好,迁移能垒极低,并且锂原子的存储比例也比较高。因此,这种新颖的LIBs阳极电极材料的开发有利于促进这种绿色能源动力的进一步商业化应用。此外,我们通过耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD)模拟方法,分别研究了两种典型的聚合物/富勒烯衍生物太阳能电池(Polymer Solar Cells,PSCs)体系的去溶剂化相分离过程等,并且系统地分析了加工参数对聚合物体系形貌的内在影响机制。然后结合图形理论方法和形貌描述符的定义成功预测了相关PSCs器件的性能指标。我们最终得到了一组有利于促进数体系形成双-连续网状形貌的制备参数并有效地帮助提高了该类型光伏电池的效率。基于第一性原理计算和介观尺度计算机模拟,我们成功地解释了高效单原子催化剂、锂离子电池阳极材料、聚合物太阳能电池的内在核心作用机制,并且系统地总结了影响相关器件性能的关键因素,提出了提高非均相催化剂、锂离子电池和聚合物太阳能电池效率的有效途径,为其实际应用提供了可靠的理论基础。