随着全球范围内传统化石燃料短缺和环境污染问题的日益加剧,世界上各个国家都在积极寻找可再生清洁能源和新型能源存储与转换技术。电催化反应,如析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）是电解水、金属-空气电池和燃料电池等新型能源存储与转化技术的核心。然而,电催化反应中普遍存在的反应动力学缓慢和过电势较大问题严重降低了电催化效率,所以寻求能够有效地提高反应动力学且降低过电势的电催化剂变得尤为重要。贵金属Pt及其衍生物是催化性能最佳的电催化剂,但是贵金属催化剂含量少和成本高的特点限制了其大规模商业化应用。因此,需要开发更加稳定高效、价格低廉的电催化剂完全或部分替代贵金属。二维（2D）材料由于它们独特的物理化学性质,在电催化领域展现出巨大的应用潜力,为寻找优异电催化剂开辟了一条新途径。本文旨在通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,以MXene和磷烯材料本身的化学特性为出发点,聚焦新型能源存储与转换技术,通过非金属原子掺杂、负载金属单原子等表面改性手段,设计与开发HER、OER/ORR单功能或双功能电催化剂。主要研究内容如下:（1）基于第一性原理计算,系统地研究了非金属原子（B、C、N、P和S）掺杂Ti3C2O2（X-Ti3C2O2）的电子结构和HER催化性能。非金属原子的存在,调控了Ti3C2O2的电子结构,使Ti3C2O2费米能级附近的电子占据率提高,有效提升了导电性。非金属原子掺杂后,O原子的pz带中心下移（远离费米能级的方向）提高了反键轨道（σ*）的电子占据率,削弱了 H与O之间的相互作用,促使ΔGH增大并且更趋近于0,提高了Ti3C2O2的催化活性。其中N-Ti3C2O2的ΔGH仅为-0.01 eV（氢覆盖率θ=1/9 ML）,超越了大多数贵金属催化剂,有望作为HER催化剂在电解水装置中大规模应用。（2）基于第一性原理计算,构建磷烯负载单原子模型（TM@BP和TM-BP）,筛选出高效的OER/ORR双功能催化剂。金属原子的3d轨道与P原子的2p轨道发生强烈杂化,磷烯带隙减小或发生从半导体向导体的转变,导电性显著提高。金属原子作为OER/ORR催化活性中心,d带电子可以调节含氧中间体与催化剂之间的相互作用并使其具有合适的结合强度,有效降低反应过电势,计算结果证明,TM@BP和TM-BP可以作为OER/ORR双功能催化剂。其中Ni@BP和Ni-BP分别具有0.56 V、0.16 V的OER过电势和0.57 V、0.31 V的ORR过电势,展现出堪比贵金属催化剂的催化性能,有望作为OER/ORR双功能催化剂在金属-空气电池中大规模应用。