清洁能源的发展已成为解决化石能源危机和环境恶化的必要手段,人们的关注点便集聚于绿色安全、有效、生态友好的清洁能源开发。单原子催化剂可以最大程度利用原子并有效地激发二维材料的活性,对析氢反应和一氧化碳氧化等一系列化学反应具有良好的催化活性。贵金属铂基催化剂因其高催化性能而被大众熟知,但其存在价格昂贵、稳定性低、易中毒等缺点不利于大规模使用。因此,非贵金属催化剂的探究不失为设计高效、低廉、稳定电催化剂的研究方向。在本文中采用基于密度泛函理论的第一性原理计算探究了BSe基催化剂的析氢反应性能（HER）,外电场对铂掺杂空位石墨烯Pd-Gr体系中CO氧化机制的影响。具体研究内容如下:1.掺杂单层BSe作为析氢反应催化剂的设计利用非金属单原子的系统掺杂打破单层BSe表面惰性来调控其表面活性,进行几何构型、电子结构和电催化性能的计算分析。我们发现所有的非金属原子都倾向于占据含有Se原子空位的位点。对其最稳定构型的电子结构分析表明具有杂质态的p型半导体催化剂促进了HER反应,而具有金属性质的非金属单原子催化剂则抑制了HER反应。同时,对非金属掺杂剂pz带中心的分析结果表明了随着p轨道占据数的减少,pz带中心越靠近费米能级,意味中间体与活性位点之间的吸附强度越强。对促进析氢反应的p型半导体催化剂进行分析,发现C和Si掺杂BSe催化剂对HER表现出较高的催化活性,并且通过分子动力学模拟证实了这两种电催化剂的热稳定性。另外,还从分电荷密度及轨道分析证明p型半导体催化剂在费米能级附近的杂质态主要由非金属掺杂剂的pz轨道组成,其与孤立氢原子的1s轨道杂化产生强相互作用。因此,此项工作揭示了非金属原子在析氢反应中的重要作用,并为设计具有高催化活性的新型非金属单原子催化剂提供了理论依据。2.外电场作用下Pd-Gr催化剂的三种CO氧化机制本文系统地研究了非贵金属钯掺杂缺陷石墨烯（Pd-Gr）上的CO氧化机制,并考虑了外加电场对其稳定性、电子结构和CO氧化机制的影响。计算结果表明,随着外电场的减小,Eleye Rideal（ER）机制的限速步势垒逐步减小,而Langmuire Hinshelwood（LH）机制的限速步势垒无太大波动,说明物理吸附分子对外加电场的作用更为敏感。正电场利于Termolecular Eley-Rideal（TER）机制的进行,但负电场却抑制其进行,在适当的正电场下TER机制仍然比ER和LH机制具有优势（+0.1 V/?电场下,TER机制的限速步势垒仅为0.22 e V）,但在负电场下LH机制又占据了绝对的优势。所以,这体现了TER不如LH机制在电场环境下稳定。因此,Pd-Gr催化剂即使在电场作用下也有利于CO的氧化,本研究为外电场调控石墨烯基材料的CO氧化活性提供了有价值的指导。3.理论结合实验的若干工作第一项工作,利用I单原子掺杂Bi4Ti3O12体系研究其光催化活性,计算其几何结构和电子结构的分析。发现I单原子倾向于取代类钙钛矿(Bi2Ti3O10)2-中的O原子,并且I掺杂有效缩小带隙并拓宽其在近红外区域的光吸收范围,从而有效诱导光生电子空穴对的产生。第二项工作,基于双层石墨烯通过不同N掺杂和N、B共掺构型探究对K离子存储能力的影响。研究结果表明N、B共掺杂双层石墨烯能够有效促进K的吸附并增强其电子转移,从而大幅提高K的存储容量。第三项工作,采取Ti单原子掺杂SnO2（110）体系来研究其CO传感性能。发现Ti原子倾向于锚定在最上层Sn原子的上方,通过微动力学速率模拟表明Ti@Sn O2表面的CO氧化速度高达4.29×10~4s-1（298.17 K）,表明Ti单原子掺杂可以有效地改善CO氧化,从而提高Sn O2对CO的传感性能。