单原子催化剂（SACs）由于其在催化剂表面最大限度的负载分散的金属原子达到最大的单原子利用率、具有新奇的几何结构和电子结构,且在清洁能源相关的应用领域的多种反应中具有高的活性、稳定性和选择性,近年来受到了人们的广泛研究,特别是它们在二氧化碳还原反应（CO2RR）和氧还原反应（ORR）中的高活性和选择性。CO2RR技术致力于将CO2和H2转化为烃类和醇类等高附加值燃料或商用化学品,有助于解决能源和环境保护问题。生物体内的生物材料与外来材料（相对于生物体内的材料）相比具有良好的生物相容性和生物安全性,近年来具有类酶性质的单原子生物催化剂以其易制备、高的生物稳定性和高的催化活性等优点在医疗和生物医学领域得到了广泛的应用,因此,开发和设计具有优良的催化活化ORR性能的阴极材料对生物燃料电池等能源转换装置的商业化应用具有重要意义。1.二氧化碳还原:采用包含色散力校正的密度泛函理论方法（DFT-D）研究了单层Mo S2负载单原子Co催化剂（Co/Mo S2）上CO2热还原的内在机理。电子结构分析表明Co-Mo-3S活性中心对CO2的还原起着重要的作用。对于各种反应路径的研究表明,CO2还原倾向于经由逆水煤气转换反应（RWGS）和CO氢化路径生成甲醇（CH3OH）,而不是甲酸盐路径。此外,CO氢化为甲酰基（HCO）反应是整个CO2还原过程的限速步,整个反应路径可以总结为:*CO2→*CO→*CHO→*CH2O→*CH2OH和*CH3O→CH3OH。最后,反应速率计算表明Co/Mo S2能够促进CO2在高温下的还原过程。因此,Co/Mo S2单原子催化剂是一种将CO2转化为CH3OH的高效催化剂。2.氧还原:采用包含色散力校正的密度泛函理论方法系统地研究了Fe替代CaII掺杂HAP表面（Fe@HAP）和Fe吸附HAP表面（Fe/HAP）的模型特性和在这些衬底上的ORR的详细的动力学和热力学行为。结果表明,单原子Fe通过取代CaII原子进入HAP表面比吸附在HAP表面的Fe原子更加稳定,且引入的Fe掺杂剂可以显著地提高磁性HAP材料的ORR催化活性。过渡态反应势垒计算表明,在Fe@HAP表面吸附的O2倾向于进行4e-还原路径生成无污染的H2O,更详细的分析表明氢化形成的两个OH更倾向于进一步加氢形成两个H2O分子,而不是自反应脱氢,吉布斯自由能计算也印证了这一点。因此,结果表明Fe@HAP可以作为一种有效的催化剂应用于生物燃料电池的阴极材料,并为基于生物材料设计单原子催化剂提供策略。