开发清洁能源和提高能源转换效率涉及诸多重要的化学反应,这其中的关键问题是设计和制备高效、廉价且环境友好的催化剂。近年来,利用太阳能、风能等可再生资源产生的电力驱动电催化氮还原反应（NRR）得到了广泛研究,但受催化剂活性和选择性的影响,至今无法取代传统高能耗的哈伯-博施过程。析氧反应（OER）可以为氮还原过程提供质子源来氢化氮气,但目前性能最好的析氧反应催化剂Ir O2/Ru O2成本高、稳定性差。针对上述问题,本文采用第一性原理计算结合反应动力学模拟的方法,设计了Fe的双原子、Ir的单原子、Pt3In团簇以及负载金团簇的二维过渡金属碳氮化物（MXene）催化剂,并对其在清洁能源领域重要反应中的催化特性进行了研究。设计了低价态的铁双原子催化剂（DACs）用以实现高效电催化合成氨。基于实验上四个近邻吡咯氮原子掺杂的石墨烯构型,本文设计了15种同核双原子催化剂（TM2N4@graphene）。通过对催化剂活性、选择性和稳定性的研究,Fe2N4@graphene被筛选出来作为最有效的氮还原反应催化剂,其临界电势仅为-0.32 V。电子结构分析证明低价态的铁原子（+1）能够显著激活氮气分子,是其具有优异催化活性的原因。此外,动力学研究表明所有氮还原反应基本步骤的势垒都小于析氢反应（HER）的势垒,这说明催化剂可以有效地抑制析氢反应。此外,本文发现晶体轨道哈密顿量的积分（ICOHP）可以用作描述符,描述氮还原反应过程中每一步吉布斯自由能的变化。这项工作不仅为氮还原反应的双原子催化剂设计提供了理论指导,还促进了对双原子催化剂固氮的认识。Ir单原子掺杂Ni2P用于析氧反应的研究。本文设计了一种Ir单原子掺杂的Ni2P(IrSA-Ni2P)催化剂,并采用标准氢电极（SHE）模型和自洽理论过电势方法对Ir单原子锚定前后Ni2P（0001）稳定表面上析氧反应的活性进行了研究。考虑到析氧反应的苛刻条件,本文首先构建了Ni2P（0001）和IrSA-Ni2P（0001）的表面Pourbaix相图,该图由给定电极电势和p H值下最稳定的表面相组成。计算结果表明,暴露在两个表面上的P,Ir和Ni原子对水分子具有化学活性,从而导致催化剂表面在析氧反应条件下容易被氧化。这也与实验上观察到反应后样品表面上产生氧化层的结果相一致。此外,计算模拟和实验结果均表明,Ir单原子倾向于占据表面上Ni的位点,并且重构的Ir-O-P/Ni-O-P成键环境对于析氧反应中间物的吸附和脱附起着至关重要的作用,这也是析氧反应催化活性显著提高的原因。同时IrSA-Ni2P催化剂在1.53 V时产生的电流密度是目前商业化Ir O2催化剂的28倍。本文设计的这种IrSA-Ni2P催化剂为进一步提高析氧反应催化性能提供了更加深入的理解。金属间有序Pt3In团簇用于氧还原反应（ORR）的研究。Pt是目前活性最好的氧还原反应催化剂,但其成本高,稳定性差的缺点极大限制了燃料电池的商业化应用。因此,本文设计了In原子有序掺杂的一系列Pt基催化剂,理论计算表明随着In原子掺杂浓度的提高,催化剂对氧还原反应中间物的吸附逐渐减弱,反应的过电势逐渐降低。当Pt:In的比例为3:1时,催化剂的活性最接近火山口的位置。实验上进一步合成了小于3 nm的有序Pt3In团簇催化剂,测试结果表明Pt3In/C催化剂的质量活性和比表面积活性分别是工业上Pt/C催化剂的4.1倍和2.7倍。此外,在经过20,000个加速的电化学耐久性循环后,Pt3In催化剂结构依然非常稳定,并且活性几乎没有衰减。理性设计MXene基催化剂用于水煤气变换（WGS）反应。通过氢键连接的水分子可以充当质子传递介质,从而提高双功能催化剂在水煤气变换反应中效率。因此,本文提出了一种在水辅助下能够实现水煤气变换反应产生氢气的路径。基于此路径,本文通过第一性原理计算证明了氧覆盖的MXenes在沉积Au团簇后是潜在的水煤气变换反应催化剂。此外,本文构建了微观动力学模型对产物在稳定状态下的转换频率（TOF）进行了研究,并通过火山曲线对氧终结的MXenes上析氢反应性能进行了评估,发现吸附氢的自由能可以通过沉积的Au团簇进行显著调整。更重要的是,水煤气变换反应决速步的势垒和析氢反应的吉布斯自由能之间存在一个线性的标度关系。本文的工作不仅为水煤气变换反应开辟了一条新的路径,还为氢气的制备提供了许多理想的催化剂。