“碳达峰”和“碳中和”已经成为国家重大需求和世界科技前沿。如何高效催化转化二氧化碳等C1氧化物制备高价值的化学品引起了国内外科研工作者的广泛关注。其中的关键问题是设计与发展新型、高效的催化剂材料。由于催化剂的化学组成、微观结构及活化机理对二氧化碳的催化转化效率起到了决定性作用。因此,催化机制的理论研究工作已经成为开发新型催化剂材料过程中的重要步骤。得益于第一性原理的快速发展及计算机技术的不断突破,使得利用理论计算方法系统地研究与设计新材料成为了可能。相比于实验试错的研究过程,理论计算能够更加快速的在微观尺度探究催化反应过程,在揭示催化机理的同时,获取合理的化学组成与结构调整方案,为改善催化性能提供可靠的理论支撑。从而极大地提高了新材料挖掘的效率,并有效地节约了研发成本、减少了人力投入,为快速高效地按需设计与开发新材料,以满足工业及实验对新材料日益增长的需求奠定基础。因此,本文聚焦于适用于CO2、CO催化转换材料的设计,利用计算化学的相关手段,结合全局优化算法,进行了如下研究:1.用于二氧化碳催化转化的非金属催化剂的开发是极具挑战性的。受限路易斯酸碱对（FLPs）被认为是潜在的催化二氧化碳加氢的非金属催化剂。然而,大多数的FLP催化剂不稳定,因此限制了其在实际过程中的应用。本工作设计了一类由 K3-nHnPO4（n=0,1,2）和 B（C6F5-mHm）3（m=0,3,5）组成的新型非金属催化剂。经研究证明该类催化剂不同于FLP类催化剂,而是形成稳定的路易斯酸碱对。通过密度泛函理论（DFT）计算表面该类催化剂在催化CO2加氢制甲酸盐的过程中表现出较好的催化活性。计算结果表明氢气分子的活化及B-H键活性中心的形成是该反应过程中的决速步骤。路易斯酸及碱的强度和空间相互作用与催化活性之间存在明显的对应关系。在这些催化剂中,B（C6H5）3-KH2PO4路易斯酸碱对表现出最佳的催化活性,具有最低的反应势垒（26.3 kcal/mol）,是一种有潜力的非金属催化剂。该研究可以为用于催化转换二氧化碳的非金属催化剂提供新的设计策略。2.利用电催化方法催化还原一氧化碳制备有价值的多碳化学品是实现可持续碳循环的最有潜力的途径之一。非金属催化剂具有储量丰富、无毒、环境友好且成分可控等优点,是非常有开发价值的一类催化剂。虽然目前的研究已经开发出许多具有高转化效率的催化剂,但其中利用非金属催化剂实现电催化转换CO2和CO的研究工作却鲜有报道。在此工作中基于具有较好电催化性能的氮化碳（C2N）材料,设计多种非金属杂原子（B、P、S）掺杂形成的具有双位点协同作用的新型非金属电催化剂用于催化转换CO2、CO制备乙烯。根据Sabatier原理,材料表面和CO之间的平均吸附能可以作为催化二氧化碳制备多碳化合物的一种重要指标。此外,考虑到目标产物与催化剂表面的吸附过强会导致催化剂的毒化现象等问题。选用材料表面与CO的平均吸附能及其对乙烯的吸附能力作为各种双原子组合掺杂材料的初步筛选条件。随后,利用催化剂的热力学及动力学的稳定性参数进一步筛选更为合适的催化剂材料。通过筛选不同掺杂的催化剂性能发现由硼原子和磷原子共同掺杂的C2N材料最适合作为此类反应的电催化剂。研究发现*COCO中间体加氢是该反应的决速步骤,反应能垒为0.44 eV。此外,目标产物（C2H4）很容易从催化剂表面逸出,能较好的避免催化剂毒化问题。这项工作将有助于未来设计更有效的无金属催化剂,以促进C2H4的可持续合成。3.由于金纳米团簇催化剂在催化一氧化碳转化的过程中,发现2-4 nm的团簇表现出优异的催化性能,而其他尺寸的团簇的催化活化较弱,甚至消失。该纳米团簇的尺寸与催化活性之间的独特联系,引起科研界的广泛关注。普遍认为金纳米团簇的形貌在决定其物理和化学性质（尤其是催化性能）方面起着至关重要的作用。基于量子力学（QM）的全局优化方法已被用于纳米团簇结构的挖掘与性质研究过程。然而,金原子的电子结构较为复杂,受计算机运算能力的限制,采用QM方法计算的金纳米团簇的尺寸一般都在0.5nm以下。为更好的解释团簇尺寸影响其催化活性的微观机制,开发适应于较大尺寸团簇搜索的算法及软件就不可或缺。本文中开发了一种迭代的全局优化的方法（Iterative Global Optimization Method,ItGOM）。通过改进传统的 QM/MM 方法,保留分子力学（MM）方法,体系中QM部分的不断迭代增加,结合遗传算法实现团簇结构的全局优化。其中QM/MM能量采用有效且简单的减法策略。最大实现了 1.5 nm的金纳米团簇结构的全局优化。此外,Au13的金纳米团簇结构作为基准模型,与现有模型进行对比验证,并利用该算法搜索出能量低于现有模型的团簇结构。因此,该优化策略可以用于全局优化及挖掘金纳米团簇的稳定构象。