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长久以来,人类社会工业化的迅速发展主要依赖于对化石燃料的大量使用,但是化石燃料是不可再生的,并且在使用过程中会产生大量CO、CO2、NO、SO2等有害气体,因而目前全球正面临严峻的能源和环境危机。因此,寻找清洁环保可再生的新型能源已成为近年来全世界各国亟待解决的重大问题。电化学氢水转化过程（H2+O2H2O）一直是可持续能源技术研究领域最为关注的重点,其主要包含水电解槽中的析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction;HER）、析氧反应（Oxygen evolution reaction;OER）以及氢燃料电池中的氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction;ORR）等。这些反应的动力学过程是缓慢的,因而研发相应的高效催化剂就显得尤为重要。到目前为止,铂基催化剂被公认是HER和ORR过程中最优的电催化剂,而Ru O2或Ir O2体系则是性能最佳的OER催化剂。然而,这些贵金属的稀缺性和高成本严重阻碍了其大规模应用。因此迫切需要开发低成本、耐用、高效的相关催化剂去实现这些能量转换技术的大规模商业化。近年来,二维金属硫族化合物因结构简单、易获取、易制备、价格低廉等优势已经在电催化剂设计领域引起人们的广泛关注。本文基于密度泛函理论,以系列二维金属硫族化合物作为研究对象,对其结构稳定性、导电性及相关电催化性能进行系统的理论研究,主要内容如下:1.碲化物具有超高载流子迁移率和稳定性等性质,这些优势使它有望成为高效电催化剂的优秀候选物。本论文以二维三元碲化物Ni2Sb Te2单层作为研究对象,经过系统理论研究发现其具有优异的结构稳定性和导电性能。尤其,由于具有多元协同作用,Ni2SbTe2单层能展现出良好的ORR催化性能,其过电势仅为0.33 V,甚至低于贵金属Pt的过电势。此外,本论文利用3d过渡金属掺杂进一步改善该体系的ORR催化性能,研究结果发现掺杂Fe或Co原子能有效提高Ni2Sb Te2单层表面对O2分子的吸附能力,并且使体系在维持原有优异的ORR催化活性的同时,提高了对四电子还原路径的选择性,有效抑制副产物H2O2的生成。2.与Ni2Sb Te2相比,二维三元碲化物Ta Ir Te4单层是典型的拓扑材料,表面具有非平庸拓扑表面态,因此,除了多元协同效应外,还具有电子传输能力强,表面态稳定等特点,有利于电催化反应快速稳定地发生。基于此,本论文以其为研究对象深入研究了ORR催化性能。研究结果表明这一具有低Ir负载量的二维单层可从其体相结构中剥离获得,并且结构高度稳定、导电性能优异。进一步研究发现O2分子在Ta Ir Te4单层表面吸附能被有效活化,且通过极小的能垒（0.28 e V）能够解离成两个分离的O*。沿着四电子解离路径发生反应时,其过电势仅为0.47 V,甚至可与Pt相比。此外,该催化剂体系也具有较高的选择性,在反应过程中能有效抑制副产物H2O2的生成。进一步分析表明拓扑表面态对其高效的催化活性有重要影响。显然,基于拓扑材料体系的研究将为低值高效的ORR催化剂设计提供全新途径。3.通常,Rh基材料耐腐蚀性强、稳定性好,对此类材料的研究将有利于推动相关催化剂的实际应用。基于此,本文以三种不同构型的Rh Te单层（r-Rh Te、o-Rh Te和h-Rh Te）的结构稳定性、导电性及ORR电催化性质进行系统的研究。结果表明这三种RhTe单层均具有较高的结构稳定性和好的导电性。其中,r-Rh Te单层被甄别出具有良好的ORR催化活性。机理分析表明r-Rh Te单层表面两个相邻带正电Te原子能吸附氧气,为氧气解离提供活性位点。而且,ORR反应在r-Rh Te单层表面沿解离路径进行,其过电势为0.56 V。此外,进一步研究发现Cr、Mn和Fe的掺杂能有效提高r-Rh Te单层的ORR催化活性,其过电势（0.36 V、0.43 V和0.48 V）甚至可以与Pt相当或更低,并表现出了对四电子路径的高选择性,能有效抑制副产物H2O2的生成。4.此外,本论文还对含Ga原子（缺电子）的系列硫化物（二维Ga S、Fe Ga2S4和Ni Ga2S4单层）的结构和电催化性能展开了深入研究。计算结果表明,二维Ga S、Fe Ga2S4和Ni Ga2S4单层均可通过从体相材料中剥离获得,并从动力学、热力学和力学方面被证实其结构是稳定的。进一步研究表明表面掺杂Si、Ge、Sn、P、As和Sb等杂原子能有效调控Ga S、Fe Ga2S4和Ni Ga2S4单层的析氢和析氧电催化性能。例如,Ge-Ga S、Ge-Ni Ga2S4和Ge-Fe Ga2S4等能表现出优异的HER催化性能,而As-Ga S,Sn-Ni Ga2S4和Sn-Fe Ga2S4则能表现出好的OER催化性能,甚至与Ir O2和Ru O2体系相当。尤其,Sn-Ga S、Ge-Ni Ga2S4和Ge-Fe Ga2S4等体系同时具有高效的HER和OER催化性能,可成为双功能电催化剂设计的优秀候选物。总之,二维金属硫族化合物来源丰富、性质多样,在电催化领域有广泛的应用前景。本论文针对这些不同的二维金属硫族化合物的系列研究不但能为低价高效的ORR、OER和HER催化剂设计提供优秀的候选物,还能为实验上合成相关催化剂提供全新思路和有价值的理论指导。