氢能是一种清洁、可持续的燃料,具有高能量密度,是可耗尽化石燃料的理想替代品,从而能够缓解能源危机、减少有害物质的排放。当前,在电解水析氢反应（HER）中遇到的难题是寻求一种高效廉价的催化剂来降低电解过程中的过电势。超原子是一类能够模拟元素周期表中原子化学行为的原子稳定组合体。并且,有报道称NbN相关物种具有与贵金属Pt相似的电子结构,受这一重要结论的启发,在本文中我们基于超原子概念来设计一系列非贵金属催化剂来替代贵族金属（例如贵金属Pt,被认为是性能最好的HER催化剂）。据我们所了解利用超原子概念进行HER催化剂设计的相关研究还相当匮乏。在本文中我们通过将Nb原子嵌入到g-C₃N₄空穴中来构建出包含有类贵金属NbN单元的Nb-C₃N₄体系。通过密度泛函理论（DFT）计算,我们综合的考察了Nb掺杂g-C₃N₄体系的结构以及HER催化活性。计算结果显示Nb原子可以被稳定的键合在g-C₃N₄的空穴中央。进一步,通过计算吸附H的吉布斯自由能值(ΔG_H*,它的绝对值越小表明HER催化性能越好)我们得到,C原子上方位置对应的ΔG_H*值均很小,介于-0.052?-0.271 eV之间,说明Nb原子的引入可以大幅度的提高g-C₃N₄的HER活性。出现高HER活性的原因主要是由于体系中包含的NbN相关物种具有与贵金属Pt类似的电子结构和HER活性;另外一个重要原因是Nb-C₃N₄体系中复杂的电荷转移过程（Nb→N←C）有效地活化了相关的C原子,使得体系表现出优良的HER催化性能。类似地,这种高的HER活性也可以在Nb-C₃N₄类似物V和Ta掺杂的g-C₃N₄体系中观察到。另外,我们发现随着掺杂金属原子序数的增大,金属的电离势逐渐降低,金属上的正电荷以及N原子上的负电荷逐渐增大。并且,三个掺杂体系的结合能也随着金属原子序数的增大而逐渐增大。除此之外,我们将单层的TM-C₃N₄与石墨烯基底耦合得到一系列新的复合体系—TM-C₃N₄@G（TM=V、Nb或Ta）,并且计算结果显示它们在宽范围的H覆盖率下都表现出很高的HER催化活性。综上所述,我们所研究的这一系列体系均表现出较高的HER活性。并且,通过计算我们得到,这一系列体系均能表现出良好的金属导电性和结构稳定性,而这些优良的性能对于HER催化十分有利。因此,本文中研究的这些体系均可以看作是很有前景的HER催化剂,除此之外,本文中提到的设计思路也可以为廉价、高效电催化剂的设计开发提供新的方法。