以碳材料、金属氧化物、分子筛等为载体的负载金属催化剂在化工、医药、能源等产业中有着广泛应用。随着研究的深入,人们发现载体不但具有承载金属粒子的作用,还能通过载体-金属相互作用,调控金属粒子的分散性、改变金属的电子结构,实现催化剂的高活性和高稳定性。一些载体甚至参与活化过程,与金属存在协同效应,成为催化剂不可或缺的重要组成部分。借助理论工具,通过密度泛函理论（DFT）计算,揭示催化剂结构与性能之间的关系,理解负载催化剂中的载体效应和界面效应,对设计与合成优异性能的负载金属催化剂具有十分重要的指导意义。本论文以具有特殊纳米孔的石墨炔、C₂N为载体,研究过渡金属的负载结构和电子结构性质,考察石墨炔、C₂N纳米孔对过渡金属单原子分散的调控,以及对反应性的影响;通过建立反相负载催化剂模型,研究氧化物对贵金属负载的载体调控,揭示载体与金属的协同效应对实现催化剂高活性的作用机制。主要研究结果如下:一、针对碳载体与金属之间较弱的相互作用导致负载金属粒子易团聚的问题,基于DFT理论研究了具有天然纳米孔的石墨炔（graphyne）对Pd单原子分散的载体调控作用及反应性能的影响。载体-Pd之间的强相互作用源于炔基对Pd的螯合配位作用,促进了Pd在石墨炔纳米孔中的单原子负载和稳定性。以CO为模型反应研究Pd@graphyne单原子负载结构的反应性能,吸附物与负载金属的作用能够激发催化剂的反应活性。二、基于DFT理论,对载体调控第一过渡系列金属在石墨炔上的负载及其反应性能进行了研究。几何因素影响过渡金属单原子在石墨炔纳米孔中的负载结构,结合能的规律性变化反映了石墨炔载体对不同金属的相互作用。载体-金属间的强相互作用改变了过渡金属的电子结构,进而影响到CO、O₂等小分子的吸附。在Fe@garphyne上的CO氧化,反应经历双分子吸附机理,最大反应能垒为0.59 eV,载体对Fe的强相互作用削弱了O的吸附,吸附O进一步与CO反应生成CO₂的反应能垒只有0.18 eV。三、以反相负载的Al₂O₃/Au（111）为模型催化剂,对负载Au催化CO氧化的载体调控和界面效应进行了DFT理论研究。O₂在Au（111）洁净表面难以吸附和活化的原因在于Au并非良好的电子给予体。Al₂O₃存在时,高价态Al的空轨道部分分散吸附O₂的成键电子,有利于Au向O₂反键空轨道的电子转移,氧化物与金的协同效应是O₂能够在负载金催化剂界面位置吸附和高度活化的根本原因。Al₂O₃/Au（111）两相界面上的CO氧化反应,经历结合机理,CO的参与有利于O₂解离,并形成COO₂中间体,其最大Gibbs自由能垒仅为0.15 eV,是负载Au催化剂低温催化CO氧化优异活性的根源。四、以二维含N材料C₂N为载体,基于DFT理论研究了载体调控过渡金属系列在C₂N纳米孔中的单原子负载,及其TM@C₂N上的N₂电催化还原合成氨反应。载体对过渡金属的强相互作用来源于载体N对过渡金属的螯合作用,过渡金属以单原子嵌入纳米孔的方式负载,并向载体转移电子。通过载体-金属强相互作用的调控,N₂及其加氢中间物种在V@C₂N和Mo@C₂N上吸附,NRR反应经酶促途径具有较低的理论过电位。V@C₂N和Mo@C₂N是潜在的NRR反应优良电催化剂。本文的DFT理论研究工作揭示了载体调控机制、载体-金属强相互作用、载体-金属协同效应引起催化剂界面效应的本质,对载体调控催化剂反应性能提供了原子和分子层次的理论解释。为通过载体调控制实现高活性和高稳定性的负载金属催化剂和单原子催化剂（SACs）的实验制备提供了理论依据和指导。