氨是维持生物体生命延续不可或缺的氮源。作为高能耗的Haber-Bosch工艺的替代方法,电催化还原N₂制氨具有反应条件温和、低能耗、产物易提纯等优点,因此开发高效NRR的催化剂具有非常重要的意义。本论文从催化剂设计出发,运用密度泛函理论（DFT）和透射电子显微镜探究了多孔石墨烯上高分散金属催化剂的稳定性以及NRR催化性能。具体研究内容如下:（1）在纳米多孔金表面修饰碳材料,热处理使金熔化并蒸发后形成的纳米多孔石墨烯,通过电镜表征观察到大量稳定存在的Au单原子,以及在某些区域较为稳定的双原子对和三原子簇。基于DFT的电子结构分析表明缺陷使石墨烯表面原子电子结构发生变化,是促进Au单原子和原子簇与纳米多孔石墨烯稳定结合的一个主要原因。另外理论计算结果还显示曲率也对原子的稳定性有影响,曲率越小对Au原子的固定作用越强,并且计算得到的双原子对和三原子簇构型也与电镜结果较好地吻合。该工作明确了纳米多孔石墨烯负载过渡金属单原子和双原子结构能够稳定存在,为后续单原子和双原子催化剂的设计奠定了基础。（2）在氮掺杂多孔石墨烯上负载单原子过渡金属,构建出用于NRR的单原子NC催化剂。通过DFT计算,以N₂,N₂H和NH₂的吉布斯自由能作为描述符,筛选出具有高NRR催化活性和选择性的Fe和Ag单原子NC催化剂,不同路径的反应自由能计算结果表明两种催化剂的势能确定步（PDS）均为*N₂第一步氢化为*NNH。电子结构分析表明导致高NRR催化性能的原因在于过渡金属单原子的d轨道与*N₂的p轨道相互作用,金属原子的电荷转移到*N₂上从而促进了N₂分子的活化,使得NRR反应更容易进行从而得到高催化性能。（3）进一步设计了双原子NC催化剂。用描述符进行计算发现对于Mo单原子对于中间物*NH₂吸附过强,不利于最终的脱附。而对于Fe单原子对*N₂H的吸附过弱,不利于氮气第一步氢化。形成双原子后上述问题都明显改善,并且通过DFT计算发现双原子催化剂稳定性普遍高于单原子催化剂,因此双原子Mo和Fe对NRR的催化性能和稳定性均优于单原子。电子结构分析表明,对于Mo原子形成双原子催化剂之后催化性能提高的原因是态密度的负移,对于Fe原子形成双原子催化剂之后催化性能提高的原因是态密度向费米能级附近移动。