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目前,为提高氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应效率,燃料电池中通常使用贵金属Pt,Ru和Ir作催化剂,但高昂的价格和有限的稳定性阻碍了Pt,Ru和Ir基催化剂的广泛应用。最近,自旋相关的原子磁化在催化领域显示出巨大的潜力,其中,半金属（half metal）具有100%自旋极化的传导电子,有望提高催化效率,但尚缺乏深入系统研究。本论文结合密度泛函理论、电化学热力学和动力学模型分析,系统地研究了Fe-Co、Zn-Co双原子掺杂N配位缺陷石墨烯的氧还原（ORR）和氧析出（OER）催化性能,以理解催化剂的活性与微观电子结构的密切关系,并寻找描述催化剂内禀性质的“指示符”（descriptor）。本论文的主要研究内容如下:（1）Fe-Co双原子掺杂N配位缺陷石墨烯作为ORR和OER反应电催化剂的理论研究中,通过自旋极化计算对FeCoNx（x=1-6）嵌入石墨烯（标记为FeCoNx-gra）的研究结果表明,巡游铁磁性半金属具有ORR和OER的双效催化性能。研究发现,半金属中铁磁耦合的自旋极化电子可以产生附加的杂散磁场（stray field）,有利于ORR初始步骤,即O2的吸附。同时,杂散磁场的存在可以保证O原子的自旋守恒,促进OER中O-O键的形成。更重要的是,离域的自旋特性（半金属的金属自旋）保证了主要反应中间体（*O2,*O,*OH和*OOH）与催化剂适中的结合强度。因此,FeCoNx-gra可表现出优异的ORR、OER双效催化性能。最后,研究建立了活性中心原子自旋磁矩与催化活性的关系曲线,即催化活性中心原子的自旋磁矩可以作为催化活性的“指示符”（descriptor）。（2）Zn-Co掺杂N配位缺陷石墨烯作为ORR和OER反应电催化剂的理论研究中,通过形成能的计算,发现ZnCoNx（x=1-6）嵌入石墨烯（标记为ZnCoNx-gra）构型中只有当x大于3时,形成能为负值,其中,ZnCoN5-gra（Ⅱ）具有优异的ORR催化性能,ORR过电势为0.42V。而ZnCoN6-gra（Ⅱ）表现出潜在的双效催化性,ORR和OER的过电势分别为0.29V和0.61V。此外,为进一步提高其电催化性能,采用OH修饰催化活性中心。修饰后的ZnCoN6-gra（Ⅱ）可以表现出更低的ORR和OER过电势,分别为0.25V和0.52V,具备双效催化能力。