石油、煤炭等化石资源的大量消耗和日益严重的环境问题促使着人们要寻找合适的替代能源和开发高效的能源转换技术。然而,廉价、高效催化剂的匮乏严重制约了能源转换装置的整体效率和大规模应用,是实现能源供给方式转变的主要瓶颈。石墨烯凭借其独特的几何结构和电子性质,被认为是优良的催化剂载体,其简单明确的结构也为深入揭示催化机理,从原子水平上阐明结构-性质关系提供了理想的模型。基于此,本论文构建了一系列氮杂石墨烯基双原子二维单层材料,通过调控活性中心金属原子的种类及配位环境优化了催化剂的电子结构,进而设计出了多个廉价、高效的析氧反应（OER）和析氢反应（HER）电催化剂。论文的具体研究工作如下:首先,研究了同核双原子MMN6-gra（M=Fe,Co,Ni）的OER催化机理和性能,并与相应单原子催化剂MN4-gra进行比较。研究发现,除单金属/单碳位点上的OER路径（H2O→*OH→*O→*OOH→O2）外,Co Co N6-gra和Ni Ni N6-gra还可以通过反应中间体在金属和临近碳位点间迁移的方式进行反应,从而表现出较高的OER催化活性,其理论过电位仅为0.30和0.37 V。此外,O2还可以通过吸附在相邻活性位点上的两个*O中间体相互耦合产生（*O+*O→O2）,尤其是Fe Fe N6-gra和Co Co N6-gra在此机理下表现出优越的催化活性,理论过电位分别低至0.33和0.28 V。其次,进一步研究了相应的异核双原子M1M2N6-gra的OER催化机理和活性。计算结果表明,Fe Co N6-gra不论是通过反应中间体在金属和碳位点间迁移,还是通过相邻活性位点上的*O-*O耦合都具有较高的OER催化活性,理论过电位分别为0.33和0.40 V,远优于单金属位点下的OER活性。如此低的过电位是由于异核Fe Co原子的配位优化了中间体在催化剂表面的吸附行为,从而降低了反应能垒。此外,Fe Ni N6-gra和Co Ni N6-gra分别通过*O-*O耦合以及中间体迁移机理表现出较好的OER活性,理论过电位分别为0.53和0.59 V,进一步的电子结构分析阐释了催化剂的活性来源。最后,还研究了上述所有单、双原子催化剂MN4-gra/MMN6-gra/M1M2N6-gra的HER催化性能,优化了反应中间体（*H）在催化剂表面各种潜在的吸附结构,计算了相应的吸附自由能ΔG*H,并据此评估了各催化剂的HER催化活性。计算结果显示Ni Ni N6-gra和Co Ni N6-gra是潜在的HER电催化剂,其理论过电位分别为0.15和0.27V。