全球气候变暖和能源危机是当今世界面临的两大问题。电催化CO₂还原反应（CO₂RR）和N₂还原反应（NRR）是解决上述两个问题的有效方法。含共轭配体的过渡金属Re配合物凭借高选择性和低过电位等优点被认为是具有潜在优势的CO₂RR电催化剂之一。然而,实验上很难捕捉反应中间体,无法确定反应机制,进而阻碍了对催化剂性能的改善。与Haber-Bosch制氨需要在高压高温下的反应条件下进行相比,电催化NRR制氨的反应条件非常温和（常温、常压）,因此,电催化NRR是代替传统Haber-Bosch工艺法制氨的理想策略,尽管实验研究证明含共轭配体的过渡金属Fe配合物能够有效地催化NRR反应,但仍存在法拉第效率低以及过电势高的缺点。因此,寻找高效、廉价的NRR催化剂迫在眉睫。在过去的几十年里,功能材料的设计一直是化学研究的重要内容。适当地调整它们的性质,如电子传导、磁性和自身活性,可以使分子材料具有多种用途。其中π共轭分子材料在化学研究领域受到了广泛关注,通过π共轭网络分布的π电子具有降低带隙、促进电子衍射偏离、热力学稳定和增强分子间电子相互作用的功能使π共轭化合物已成为分子材料领域中不可或缺的一部分。配体与金属配位可以形成更稳定的刚性分子结构,此外中心金属离子与配体之间具有很好的载流子传输型,有利于CO₂RR和NRR的多电子反应进行。随着计算机技术的日益成熟,量子化学计算作为重要的实验补充手段受到越来越多的关注,通过理论计算预测化合物的未知性能,将大大缩减设计和合成新型催化剂的成本。本论文采用密度泛函理论（DFT）方法研究含共轭配体的过渡金属配合物在电催化CO₂RR和NRR中的应用。论文内容包括四个章节:第一章为前言,主要介绍CO₂RR和NRR催化剂的发展以及π共轭分子材料的应用;第二章为理论基础和计算方法;第三章至第四章为研究的主要内容,主要包括以下两个部分:1.采用DFT方法研究了实验合成的纳米石墨烯铼配合物Re（gpy-bpy）（CO）₃Cl（gpy=与吡嗪配位的纳米石墨烯;bpy=2,2’-联吡啶）电催化CO₂RR的微观机制。结果表明:Re（gpy-bpy）（CO）₃Cl的催化活性主要归因于共轭配体gpy-bpy的强氧化还原能力;活性催化剂的分子最高占有轨道（HOMO）与CO₂的分子最低空轨道（LUMO）之间的能级差低于活性催化剂的HOMO与质子源CH₃OH的LUMO之间的能级差是催化剂选择性还原CO₂的内在原因。该工作将为设计高效CO₂RR电催化剂提供可靠的理论指导。2.利用DFT方法研究了系列四苯基金属卟啉M–TPP（M=Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Pd,Os,Pt,Mo,Rh,Ir,Re,V,W;TPP=四苯基卟啉）催化NRR的反应性能。结果表明:在所研究的体系中,W–TPP有望成为高效的NRR电催化剂。W–TPP优先通过远端机制催化NRR,NH₃的第二次解吸为决速步骤,对应的吉布斯自由能变化值为0.65 eV,W–TPP催化NRR的过电位为0.49 V。这对设计新型金属卟啉电催化剂提供了有益信息。