在过去几十年里,由于化石燃料的消耗,能源需求和环境问题日益严峻。随着工业化和人口的快速增长,预计到2050年全球将需要两倍于目前的能源供应,化石燃料的消耗将不可避免地导致对环境有害的气体排放。在各种发展可再生能源的技术中,基于半导体材料的光催化技术可以收获取之不尽的清洁太阳能,水在太阳能作用下可直接转化为氢气和氧气,是目前解决未来能源和环境危机的绿色可持续途径之一。此外,电催化技术在能源转换方面也发挥着重要的作用,其主要通过降低反应过电位,以达到在温和的条件下进行水解反应制备清洁能源。具有较高载流子迁移率的催化剂材料可以促进半导体光生载流子的迁移和导体中电子的转移,有助于反应更快更高效地进行。因此,寻找高性能的催化剂能源材料,提高能源转换效率,降低能源损耗是设计材料的重要课题。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,针对二维类石墨炔碳氮材料、类C3N4多层极性材料、新型石墨炔材料和金属硼化物等一系列二维结构在载流子迁移率、光催化以及电催化等相关过程进行了系统的理论研究,主要包括计算载流子迁移率、探究光催化全解水过程、设计单原子多功能电催化和电催化固氮等。从晶体结构出发,揭示了全解水催化剂材料的机制,建立多功能催化剂的设计策略和设计新二维材料的一些工作,为后续实验提供了重要的理论依据,主要研究内容如下:1.高载流子迁移率的催化剂材料有利于电荷的转移,可以加快催化反应的进行,提高清洁能源的产率。我们的理论研究表明,类石墨炔的碳氮材料拥有可与石墨烯媲美的高载流子迁移率,可以作为电催化剂衬底材料。其较大的极限应变和可调控的电子结构有利于材料在电子器件方面的应用。较低的晶格失配使得其两两之间可组合成Ⅱ型异质结,有利于在太阳能电池上的应用。该工作为设计新型二维碳氮材料提供了理论依据,也为设计新型非金属电子器件提供了一定的理论指导。2.光催化全解水材料可以在不使用牺牲剂和助催化剂的前提下仅靠光激发得到的光生载流子产生驱动电压在材料表面完成水解反应。二维极性材料因存在内建电场是天然促进光生载流子分离的光催化剂候选材料,光生空穴和电子因高迁移率迅速分离并迁移到材料上下表面,分别进行OER和HER反应,突破了光催化剂对带隙的限制,在不降低驱动电压的前提下提高了光吸收效率。基于第一性原理计算,我们对实验上已合成的C3N5材料进行光催化全解水应用的探究。C3N5多层随着层数的增加带隙降低、内建电场增加,但光生电压几乎不变化,从一层到五层均可以驱动水解反应。较高的载流子迁移率促进载流子移动,随着层数增多,电荷分离明显增强,光吸收峰从紫外向可见光方向移动,有利于抑制载流子复合和增强光吸收。此外,针对实验上合成的一种新型石墨炔材料研究表明,其带隙为2.7 eV,远高于石墨炔,可见光范围内光吸收占比高达78%。在助催化剂Ni的帮助下,金属单原子掺杂可以降低材料过电势,实现全解水。上述结果为设计高效的全解水催化剂材料提供了重要的理论依据。3.析氢反应（HER）和产氧反应（OER）是电催化能量转换中的两个主要反应。二维类石墨炔碳氮材料因拥有较高的载流子迁移率,可作为合适的电催化锚定材料,我们以其中迁移率较高的k-N-GDY（PR-GDY）为例,设计了单原子催化剂,通过高通量筛选选择合适的多功能催化材料,旨在降低反应过电势,增加反应活性位点。通过对3d和Pt等过渡金属元素的筛选,计算表明Ni@PR-GDY具有最低的HER,OER和ORR过电势,可以作为三功能电催化剂。针对不同的金属催化剂,建立了中间体吸附能力与过电势以及金属原子与衬底之间的电子转移与催化活性之间的联系,研究了体系中电荷变化对反应自由能的影响,揭示了单原子催化剂的调控规律,为后续的实验研究奠定了理论基础。4.与传统的高温高压下Haber-Bosch工艺相比,在温和的条件下通过电催化技术合成氨气是一种更清洁、可持续的生产清洁能源的手段。硼原子因其特殊的不饱和电子的原子结构被广泛应用于合成氨中,可通过“接受-捐赠”机制激活氮气中的N≡N键,降低反应的限制电位。基于量子力学的第一性原理的方法,我们根据实验上新合成的TiB单层设计了一系列二维过渡金属硼化物材料,探究了其作为NRR催化剂的可能性。计算表明,TiBene,YBene,ZrBene和WBene四种催化剂限制电位均低于0.7V,且可以将这些硼化物的功函数作为NRR描述符,建立含氮中间体自由能与电子转移之间的内在联系。这些计算结果不仅为实验上合成更多的硼化物材料提供理论依据,同时也为设计高效的高通量NRR电催化剂提供了可行的策略。