页岩气储量的最新发现和烷烃价格的降低引起了人们对C-H键活化的新兴趣,这是迈向精细化学品合成的关键步骤。然而,丙烷中C-H化学键非常稳定,需要借助高活性的催化剂来实现C-H键的断裂。在化工产业中,丙烯作为重要的基础原料,广泛用于生产多种化工产品包括聚丙烯、丙酮、环氧丙烷等。预计到2030年,全球对丙烯的需求将从2015年的6000万吨增加到12000万吨。随着全球对丙烯需求量的日益增加,开发高活性、高选择性的催化剂成为科研人员的研究目标。近年来,单原子催化剂以其优异的催化性能应用在多个领域,对单原子催化剂的结构和性能进行合理的设计和研究,为新型催化剂在工业的实际应用提供理论指导。本论文基于密度泛函理论探究了金属单原子催化剂在选择性生成丙烯领域的潜在应用,主要研究内容及发现如下:1.基于密度泛函理论计算,通过丙烯吸附能与第一个C-H键断裂的反应能之和估算了 g-C3N4负载的12种金属单原子的催化性能。DFT计算结果表明,钒单原子负载在石墨相氮化碳（V1/g-C3N4）对丙烷直接脱氢（propane dehydrogenation,PDH）表现出最好的催化性能,C-H键的断裂具有最低的活化能垒（1.11 eV）。此外,丙烷的深度脱氢能垒（1.97eV）大于丙烯的吸附能（-0.59 eV）,表明V1/g-C3N4催化剂能够有效抑制丙烷的过度脱氢反应。电子结构分析表明催化活性源于单原子高度暴露的d轨道,选择性源于V1/g-C3N4中V单原子的结构限制,采用弱的丙烯-π键吸附方式。因此,在V1/g-C3N4上丙烯分子的解吸速率比深度脱氢的速率快,提高了丙烯的选择性。目前的工作表明,V1/g-C3N4可以作为具有工业实用活性,选择性和热稳定性的有前途的PDH催化剂。这项工作为设计和筛选有前景的PDH单原子催化剂提供了指导。2.通过密度泛函理论计算,研究不同金属单原子负载在石墨相氮化碳（g-C3N4）用于丙炔半加氢反应。微环境对催化反应至关重要,因此,通过调节微环境来研究对丙炔半加氢反应的影响。鉴于此,控制氢气在活性位点的解离数量进一步控制产物的生成。催化剂应有利于第一个H2解离,抑制第二个H2解离。计算结果表明,钛单原子负载在石墨相氮化碳（Ti1/g-C3N4）催化剂对第一个H2解离能垒低（0.16 eV）,且第二个H2解离能垒高（1.07 eV）,表明该催化剂能有效控制反应微环境。接下来,计算了丙炔分子和丙烯分子在Ti1/g-C3N4活性位点的竞争吸附,吸附能分别是-2.03 eV和-1.17 eV,这不仅保证丙炔分子优先吸附在活性位点进行加氢反应,而且加速了丙烯分子的解吸速率,进而提高丙烯的选择性。3.二氧化铈负载的金单原子（Au1/CeO2）在丙烷氧化氯化反应中的理论探索。在本章中,用氧气作为氧化剂和氯化氢作为氯化剂,计算了丙烷分子分别在CeO2表面和Au1/CeO2表面的氧化氯化反应。与CeO2催化剂相比,Au1/CeO2降低了氯代烷烃脱氯化氢反应生成丙烯的能垒,但是提高了生成氯代烷烃的能垒。因此,丙烷的氧化氯化反应还有待进一步的研究,更好地理解催化机理与结构之间的关系。本论文通过密度泛函理论设计和研究了用于选择性生成丙烯的金属单原子催化剂,通过电子结构分析,探讨了催化剂活性和选择性的起源,为新型工业催化剂的发展提供理论指导。