太阳能、风能、潮汐能等电解水（Water splitting）制氢是最有前景的清洁能源利用方式之一。目前,铂是析氢反应（Hydrogen evolution reaction,HER）、铱或钌是析氧反应（Oxygen evolution reaction,OER）的最高效催化剂,但它们价格昂贵、资源稀缺,限制了电解水的大规模工业应用。因此,开发廉价高效的电解水催化剂是该技术应用的关键。目前,HER和OER催化剂在实验和密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算方面都已有大量的研究,但尚缺乏能够准确地预测催化剂电子性质或反应中间物与HER和OER活性的关系模型。新型的二维石墨炔（Graphyne,GY）负载单原子催化剂（Single-atom catalysts,SACs）具有良好的调控性,可以衍化出多种类似的催化剂,其用于HER和OER中构建准确的催化剂活性的关系模型是一个新的突破点。因此,本论文构建系列二维石墨炔负载不同活性原子的SACs,然后通过原子掺杂、晶格应力和双层结构调控方式分别构建相同活性原子而石墨炔组成、晶格、层数不同的SACs,结合DFT计算评价SACs在HER和OER中的性能。最后建立能够更为准确地预测催化剂电子性质或反应中间物与HER和OER活性的关系模型,有望为进一步研发高效电解水催化剂提供理论指导。主要研究结果如下:（1）Co@GY和Mn@GY催化剂的HER活性(H*的吸附自由能(ΔGH*)分别为0.04 eV和-0.05 eV)、Co@GY催化剂的OER活性（过电位为0.55 V）在石墨炔GY负载的十种过渡金属（Transition metal,TM）单原子催化剂中分别最佳。发现TM@GY催化剂中TM原子的d轨道电子中心（εd）能够反映中间物种的吸附强弱;发现了ΔGHO*与ΔGHOO*之间的线性关系,ΔGHOO*-ΔGO*可以很好地描述TM@GY系列催化剂的OER活性,使OER活性呈现出火山型趋势。（2）在B或N原子掺杂的Co@GY催化剂中,Co@B1-GY、Co@B2-GY和Co@N1-GY催化剂的HER活性(ΔGH*分别为-0.03 eV、0 eV和-0.02 eV)、Co@N1-GY催化剂的OER活性（电位为0.42 V）分别最佳。B原子掺杂的催化剂中Co原子表面电荷轻微降低且εd向高能级方向偏移,使其与H*的相互作用适当加强,因而都能表现出优异的HER活性。N原子掺杂的催化剂中则轻微地增加了催化剂导电性和表面电荷密度,以致增加了Co@N1-GY催化剂的HER活性位点数目,同时也在不同程度上排斥了含氧中间物种的吸附,使ΔG1、ΔG2和ΔG3值大小相互接近,从而降低了催化剂的OER过电位。（3）在GY晶格应力调控的Co@N1-GY催化剂中,0.5%和3%的拉伸应力下Co@N1-GY催化剂的HER(ΔGH*为0 eV)和OER（过电位为0.33 V）活性分别达到最佳。从压缩应力到拉伸应力变化时,Co-C键的键长呈线性增加趋势,而且C原子的p轨道电子中心和Co原子的εd都线性地向高能级方向偏移,并且双轴应力相比单轴应力在调控催化剂的电子性质上有更显著的效果。从压缩应力到拉伸应力变化减弱了HER和OER的中间物种在催化剂活性位点的化学吸附。拉伸应力通过使ΔG1、ΔG2和ΔG3的值彼此靠近最后达到最优条件减小OER过电位。（4）在系列双层结构的Co@GY/TM@GY（TM=Mn、Fe、Co、Ni和Cu）催化剂中,Co@GY/Cu@GY和Co@GY/GY催化剂的HER活性(ΔGH*分别为0.05 eV和-0.06 eV)、Co@GY/Ni@GY催化剂的OER活性（过电位为0.38 V）表现最佳。TM@GY层的TM原子显著地调节了上层Co@GY中Co原子的电子结构,使Co原子的εd与ΔGH*之间存在强的线性关系,εd可以描述催化剂在Co原子位点的HER活性。ΔGHO*与ΔGHOO*之间也存在线性关系,ΔGHOO*-ΔGO*可以很好地描述Co@GY/TM@GY系列催化剂的OER活性,使其OER活性呈现出火山图趋势。最后建立了基于催化剂活性位点的εd与其HER活性关系的回归方程ΔGH*=-1.518-1.242εd,以及OER中间物种吸附自由能与OER过电位关系的回归方程ln(ηOER)=-2.163-1.128ΔGO*/eV+1.015ΔGOOH*/eV。这些关系模型可以较准确的描述和预测催化剂的HER和OER活性。