当今世界,化石能源的枯竭及其燃烧所带来的环境问题越来越凸显,人们对能源的需求量越来越得不到相应的满足,面对这样的困境,新能源的开发与利用正越来越成为新的热点,引起科学家们探究的兴趣。氢能作为一种绿色无污染的新能源,逐步走入了人们的视野。氢能是一种分子燃料,具有高密度、可循环利用、副产物无污染等优良特点,制取氢气的方法有很多,电解水制氢便是其中之一,电催化析氢反应（HER）是电解水反应过程中的一个半反应（2H⁺+2e^-=H₂）,在反应过程中需要合适的催化剂来降低反应的过电势。众所周知,贵金属Pt是最有效的HER催化剂,但由于其价格高昂,丰度低等缺点不能大规模的生产使用,所以理论设计和探究新型非贵金属HER催化剂已经越来越重要。目前,基于二维材料的HER催化剂研究越来越受欢迎,二维材料有独特的原子厚度的平面结构,其足够大的表面积能够充分均匀的暴露更多的活性位点,这在电催化过程中占有极大的优势。基于密度泛函理论（DFT）计算,本论文将3d过渡金属TM₄团簇嵌入到二维π共轭石墨炔（GDY）的平面空腔中设计了一系列的新型复合体系TM₄@GDY（TM=Sc、Ti、Mn、Fe、Co、Ni和Cu）,系统研究了这些二维复合体系结构和析氢反应（HER）催化活性。计算结果表明,与单一的TM₄团簇和GDY相比,这些复合的TM₄@GDY纳米结构均能在较宽的氢覆盖范围内表现出高的析氢催化性能,其中Fe₄@GDY和Co₄@GDY体系表现出了最好的催化活性。机理分析表明TM₄@GDY复合体系的高催化活性主要是TM₄团簇和GDY之间发生了明显的电子转移,使相关的C和TM原子成为了高效活性位。此外,研究还发现这些复合TM₄@GDY体系还具有较高的结构稳定性和良好的导电性。总之,这些新型的二维复合结构可以成为高效析氢催化剂的优秀候选物,本论文的研究能为基于二维碳基体系的廉价高效析氢催化剂设计提供全新的策略。