稳定持续的能源供应对人类社会的可持续发展至关重要。近年来,随着能源需求的不断增加与传统化石燃料的快速消耗,发展清洁可再生能源具有重大社会和经济意义。在新能源领域中,电解水制氢和电池是两种极具研究意义的能量转换与储存方式。传统的电解水制氢催化剂为铂族金属,其稀缺且价格昂贵,不适用于大规模产氢,因此寻找高效廉价的电催化剂是此方向的研究重点。对于电池,随着其应用范围和规模的不断扩大,目前的电池产品难以满足未来市场的需求。彼时,电极材料的发展以及新型电池的开发显得尤为重要。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算作为模拟和设计材料的强大工具,对于研究和筛选能量转换催化剂和电池电极材料具有先天优势。本论文充分利用理论计算的优势,以过渡金属碳化物、氧化物为研究对象,探索它们作为电解水制氢催化剂或电池电极材料的前景,实现寻找低成本、高性能的功能材料的目标。首先对24种有序双过渡金属碳化物（MXenes）进行筛选以寻找出合适的析氢反应（HER）电催化剂,并通过过渡金属单原子修饰进一步提高其HER催化活性。此外,我们还研究了钒基碳化物和氧化物作为离子电池负极材料的电化学性能。具体的研究内容如下:（1）通过DFT计算筛选24种双过渡金属碳化物MXenes（化学式为M’₂M’’C₂T_x和M’₂M’’₂C₃T_x,M’和M’’分别为外层和内层的过渡金属,M’=Mo,Cr,V,Ti和Nb;M’’=Nb,Ta,Ti和V;T=O和/或OH）中适合做HER电催化剂的材料,并确定它们在HER相关条件下的热力学稳定性。利用表面普贝图描述了MXenes基面的化学性质,揭示了Mo₂M’’_xC_y,Ti₂M’’_xC_y和Nb₂Ta₂C₃在标准条件下（U=0,pH=0,p=1 bar和T=298 K）最稳定的官能团为O官能团,而Cr₂M’’_xC_y和V₂M’’_xC₃最稳定的官能团为O和OH基混合官能团（M’’=Nb,Ta,Ti或V;x=1,y=2或x=2,y=3）。预测有18种双过渡金属碳化物可以作为HER电催化剂的候选者,其中Mo₂NbC₂O₂显示出最低的过电势。普贝图和自由能图表明,在HER相关条件下,所研究的双金属MXenes的官能团稳定性和HER性能与其最外层过渡金属种类密切相关。换句话说,最外层的金属主导着双过渡金属碳化物MXenes的基面化学。Bader电荷、态密度和晶体轨道哈密顿布局分析结果表明,氢与MXenes表面的结合强度与外层金属M’与O官能团键强相关,MXenes的M’-O键越弱,O官能团与吸附的H原子之间的键越强。这些结果表明,双过渡金属碳化物,作为MXenes的一个子族,提供了大量的设计机会,尤其是作为有潜力的HER和其他反应的电催化剂。（2）通过DFT计算研究了过渡金属（TM）单原子（TM=Co,Ni,Cu,Zn,Rh,Pd,Ag,Cd,Ir,Pt,Au和Hg）修饰的Cr₂TiC₂O₂和Mo₂TiC₂O₂的HER性能。通过计算无氧空位和有氧空位的Cr₂TiC₂O₂和Mo₂TiC₂O₂单层上TM单原子的热力学和动力学稳定性,证明引入氧空位可以增加TM单原子吸附的稳定性。与原始的Cr₂TiC₂O₂和Mo₂TiC₂O₂相比,Cu-,Ag-,Pt-,Ni-,Pd-,Co-,Au-Cr₂TiC₂O_2-δ和Pd-,Rh-,Pt-,Ni-,Co-,Ir-Mo₂TiC₂O_2-δ的氢吸附自由能ΔG_H更接近于0 eV,同时这13种TM-M’₂TiC₂O_2-δ的过电势小于0.2 V,表明它们是有潜力的HER电催化剂。TM单原子在优化ΔG_H的同时,也可以改变H₂脱附的反应机理和降低H₂脱附的反应势垒。差分电荷密度与Bader电荷分析结果表明,TM单原子的引入导致的M’₂TiC₂O_2-δ表面电荷重新排布是其影响材料HER性能的原因,并且TM-M’₂TiC₂O_2-δ的ΔG_H随TM单原子价电子数目不同呈周期性变化。本研究为进一步提升双过渡金属碳化物的HER性能提供了理论指导。（3）通过DFT计算研究混合官能团对V₂C的几何结构、电子结构和电化学储锂性能的影响。通过热力学计算筛选出5种在不同环境下稳定的V₂CO_2-xF_x（x=0.22,0.67,1.11,1.33,1.56）构型。这5种V₂CO_2-xF_x在Li吸附前后都为金属导电性,可以保证电化学反应过程中有效的电荷转移。Li⁺扩散能垒、电压和理论容量的计算结果表明V₂C表面官能团对于这些电化学性质具有较大的影响。差分电荷密度和Bader电荷分析表明在Li吸附浓度较低时,电荷转移主要发生在Li与表面官能团之间,直到Li吸附浓度较高时过渡金属V原子的氧化态才受影响。这些结果为通过调控V₂C表面官能团来优化其电化学性能提供了指导。（4）通过DFT计算与实验相结合,研究了VO₂作为钾离子电池负极材料的电化学性能。首先,利用DFT计算研究VO₂导电性、钾离子吸附能和钾离子扩散路径及其相应扩散能垒。结果表明,VO₂为半导体,钾离子在VO₂结构中具有二维扩散路径和低扩散能垒。在实验上,通过水热法使VO₂生长在三维多孔碳泡沫上,从而合成出自支撑的VO₂@碳泡沫（VOCF）复合材料。碳泡沫的引入可以提供三维导电网络促进电子传输,同时也可以避免活性物质VO₂由于钾离子插入脱出引起的体积变化失去电接触。此外,复合电极的多孔结构可以增加活性材料/电解液之间的接触面积,有利于钾离子传输。VOCF表现出高的比容量(在0.1 A g^-1电流密度下,容量为443.7 mAh g^-1),并且具有出色的倍率性能,在0.5、1和2 A g^-1电流密度下,容量分别为366.1、319.3和251.7 mAh g^-1。非原位XRD和XPS测试表明VOCF在充放电过程中经历了单相固溶反应,可逆的钾离子嵌入/脱出反应贡献了钾的存储容量。通过以上研究,我们探索了过渡金属碳化物、氧化物作为电解水析氢电催化剂和二次电池电极材料的性能,总结了材料化学组成、过渡金属单原子修饰、表面官能团和材料复合对材料物理化学性质的影响,这些结果可以为能量转换和储存领域中功能材料的设计与分析提供指导和研究思路。