电催化是实现可持续发展以及低碳生产的必要绿色能源技术。前瞻性的目标是发展清洁能源生产和分配系统,采用清洁的电能作为驱动力生产燃料、肥料和化学品。本文以二维含碳材料催化剂为研究对象,基于密度泛函理论（Density Functional Theory）计算,围绕结构设计、性能预测、机理解释以及应用方向四个维度对二维材料的电催化能源转化反应展开研究,着重探索了氧还原（ORR）、二氧化碳还原（CO2RR）以及氮气还原反应（N2RR）这三种备受科研人员关注的电化学催化反应,它们都涉及到常见小分子气体的还原反应。系统地研究了掺杂、官能团以及过渡金属单原子负载等改性方式对材料电化学催化性能的影响。通过对催化剂的形成能、反应路径能量计算,综合评估了催化剂的反应活性、选择性及其稳定性。最后,结合过渡态搜索、电子结构、电荷转移等分析手段,解释了二维材料的表面化学反应的动力学能量势垒、气体吸附状况、轨道耦合机制等科学问题。主要研究成果和结论如下:（1）构建了grap-N、sp-N（I）和sp-N（II）三种定点氮掺杂石墨炔（GDY）模型,系统研究了氮掺杂对GDY电催化ORR性能的影响。结果表明,掺杂氮原子可以显著提高GDY对O2的吸附活性。然而,氮原子不直接参与ORR,而是激活相邻的碳原子,使其成为活性中心。讨论了O2在结合机制下中间态的吸附能之间的线性关系。sp-N（II）GDY的电催化氧还原活性最高,理论起始电位为0.76 V,与贵金属铂的（111）表面相当（0.78 V）。（2）研究了IV-VI副族过渡金属的二维过渡金属碳化物（MXene）材料体系。系统地比较了不同组分的裸露MXene材料对CO2的捕获能力和催化还原能力。其中,Cr3C2和Mo3C2因其优秀的CO2RR催化活性和对CH4产物的选择性,可能是CO2催化转化CH4最有潜力的催化剂。在裸露的Cr3C2和Mo3C2表面,CO2转化为CH4的极限电位分别为-1.05 V和-1.31 V。对Mo3C2表面官能团的研究表示,-O官能团覆盖时,极限电位会降低至-0.54 V,然而,表面官能团负载会显著降低MXene对CO2的吸附活性。（3）采用了皱褶型石墨相氮碳化物（g-C3N4）模型,研究了多种过渡金属单原子（Ti、V、Co、Ni、Zr、Mo、Ru和Pt）负载氮空位单层g-C3N4（TM@NVs-g-C3N4）材料作为N2RR电催化剂的潜能。分子动力学模拟计算表明,大部分过渡金属单原子都能被g-C3N4的氮空位稳定锚固。在所研究的过渡金属单原子中,Ti单原子催化剂是最有希望的N2RR催化剂,其活性中心的配位状态可表示为＞Ti-C-N,N2RR过程的极限电位为-0.51 V,最大能垒（0.57 e V）则位于*N2的第一步质子化反应。（4）采用了一种类似石墨烯的硼碳氮化物（BCN）单层作为N2RR过渡金属单原子催化剂的载体。系统地研究了3d、4d过渡金属单原子嵌入BCN的双原子空位后的电催化性能。d区左侧的过渡金属原子d轨道和N2的π2p*轨道的能态重叠大,因此具有较高的N2吸附活性。结果表明,Nb@BN3具有最优的电催化N2RR活性,电势决定步骤反应能0.49 e V,具有较高的固氮选择性。此外,TM@BN3活性位点中过渡金属原子和相邻硼原子之间存在共同固氮的作用:过渡金属原子可以促进N2吸附和NH3解吸,提高催化反应速率;硼原子则可以通过平衡吸附体电荷来调节关键中间体的键合强度。