化石燃料资源的枯竭以及全球对能源需求的日益增长,科研人员迫切需要研究出高容量、低成本、可再生和环境友好的新型能源,如氢能、化学电池、金属锂/锌电池等。贵金属催化剂在氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和氮还原反应（NRR）等电化学储能和转换技术的核心中发挥着至关重要的作用。燃料电池、金属锂/锌电池中涉及到的ORR、OER、HER是这些技术的核心。在商业化发展的今天,许多贵金属催化剂不仅成本消耗巨大、存储量低、耐用性也很差,且随着长时间的使用,这些催化剂的活性都会越来越低。所以,设计开发高效且廉价的催化剂是非常必要的。因此,本文把过渡金属原子负载到γ-GY基底上设计了一系列单原子催化剂。同时科研人员发现新型二维γ-石墨炔（Graphdiyne）这类全新二维碳材料,科研人员发现γ-石墨炔的结构和石墨烯很相似,都具有类似的π-π键和共轭结构,石墨炔具有比表面积很大,优异的电子输送能力和多孔位结构等诸多优点。基于此,本文运用密度泛函理论（DFT）,将过渡金属原子（TM）负载到γ-石墨炔基底上,从稳定性、催化活性、反应机理、活性来源等方面系统的筛选、设计了一系列高效、稳定的多功能ORR、OER、HER和NRR的催化剂。（1）本文将以γ-石墨炔为基底并且负载20多种过渡金属原子,并设计一系列TM@GY单原子催化剂,并将其运用HER、OER、ORR等催化反应。通过DFT计算表明,Fe、Ir、Co、Rh、Cu、Ni、Pd和Pt-GY是ORR、OER潜在单功能和双功能催化活性的候选物,而Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Y和Zr-GY是HER反应的单功能SAC的候选物。（2）我们分别对OER、HER和ORR的稳定性、催化活性和活性来源进行分析。我们系统地研究OER、HER和ORR的催化机理。同时我们通过中间产物的吸附自由能GOH*和GH*,构建了ORR、OER和HER的单一描述符。通过计算模拟我们筛选出（GY-Co,GY-Ni,GY-Cu,GY-Rh,GY-Ir）等优异催化剂,他们的过电位分别为0.43、0.98、0.91、0.70和0.79 V,这比原始GY的过电位（1.67 V）低很多,表现出优异的OER催化活性。Sc,Ti,Mn,Fe,Co,Y和Zr-GY的ΔGH*分别为0.04、0.08、0.13、0.16和0.18 V,表现出与商业Pt基（0.09 V）催化剂相当甚至表现出更好的催化活性。因而表现出优异的HER活性。（3）基于工作（1）（2）,我们在第五章研究了过渡金属Co原子锚定在GY基底上的NRR催化性能,我们以Co-GY对N2的吸附能,以NRR反应的2个关键步骤（N2*→N2H*）和（NH2*→NH3*）的能垒作为NRR催化反应活性的筛选指标,系统地研究了它在NRR的催化应用。紧接着,我们通过对Go-GY的结构分析和分子动力学的计算,研究了它的稳定性。再通过电荷转移、态密度等系统地研究了它在NRR的催化机理。我们研究发现,Co-GY具有较好的NRR催化活性,其限速电位为0.57V。