质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）由于具有较高的能量转化率、原料丰富以及绿色环保等优势,近年来得到了快速的发展,并广泛应用于车辆,便携式电子设备等领域。质子交换膜燃料电池在阳极上的反应非常快,但是在阴极上,即使在目前最好的基于Pt的催化剂上,其氧还原反应动力学依然缓慢,并且Pt是一种稀有并且昂贵的金属,因此开发廉价并且高效的非贵金属催化剂来替代Pt是目前质子交换膜电池发展的关键。本文结合量子力学理论计算以及实验研究,使用密度泛函理论研究了单原子过渡金属碳氮复合材料的结构性质与电催化活性之间的关系,探索其关系中的微观反应性质,并通过理论计算指导实验研究,通过不同表征方法研究了其在氧还原反应中的催化活性,为开发高效廉价的电化学催化剂提供理论与实验依据。主要研究内容及结果如下:（1）针对Fe-N-C体系,搭建了过渡金属原子Fe锚定在所设计的四种碳氮材料上的Fe/C12N4、Fe/C8N4、Fe/g-C3N4以及Fe/C10N4单原子催化剂模型,并使用密度泛函理论计算,探索了Fe在不同碳氮材料上与载体之间的强相互作用,以及四种材料的电子结构和催化活性。能带结构显示,Fe/C12N4的导电性在几种材料中最强。而在电子态密度分析中发现在Fe/g-C3N4中,Fe与载体之间拥有更强的相互作用,其中在Fe/g-C3N4中,Fe与g-C3N4的配位效应使得体系的电子结构排布改变,令d带中心下降。而对Fe/C12N4、Fe/C8N4、Fe/g-C3N4以及Fe/C10N4在氧还原反应的动力学研究发现,Fe/g-C3N4拥有最好的催化活性,其过电势较另外三种材料更低,为0.65 V。（2）搭建了金属单原子M（M=Fe、Co、Ni）锚定在碳化氮（g-C3N4）上形成的M/g-C3N4单原子催化剂模型,并研究了催化剂的结构稳定性、电子结构和电催化活性。通过将三种催化剂的电子结构与g-C3N4的电子结果对比发现,金属原子的引入可以明显提高整体材料的导电性,增强催化剂的电子传输能力,其中Co/g-C3N4的导电性最强。通过d带中心理论以及前线轨道理论分析得到,三种催化剂的电催化活性由强到弱依次为Co/g-C3N4、Ni/g-C3N4、Fe/g-C3N4,这是由于Co与g-C3N4之间存在更强的相互作用,Co d轨道与N p轨道之间有更大的有效重叠,同时对氧还原反应的反应物、中间体和产物在Fe/g-C3N4、Co/g-C3N4和Ni/g-C3N4的吸附结果分析。通过中间物种的吸附能对Fe/g-C3N4、Co/g-C3N4和Ni/g-C3N4的氧还原反应的四电子过程反应路径进行分析,根据计算的吉布斯自由能变化图可以得知Fe/g-C3N4、Co/g-C3N4和Ni/g-C3N4三者的氧还原反应速率控制步骤都为O*基团的加氢过程,并且计算得到Co/g-C3N4的过电势为0.56 V,小于Ni/g-C3N4和Fe/g-C3N4的过电势,表现出更好的氧还原活性。（3）在量子力学理论计算的基础上,使用高温焙烧法合成了Co/g-C3N4、Ni/g-C3N4、Fe/g-C3N4三种单原子催化剂。为了证实所合成的材料与计算结构一致,通过结构表征证实了金属单原子负载到载体g-C3N4之上,得到了单原子分散的Co/g-C3N4、Ni/g-C3N4、Fe/g-C3N4并通过循环伏安扫描以及线性扫描对这三种催化剂的氧还原反应的活性进行测试。结果表明三种催化剂都表现出较好的电催化活性,在三种催化剂中在Co/g-C3N4-900显示出更正的起始点位(Eonset=0.92V)和半波电位(E1/2=0.89 V),其优异的电催化活性来源于Co/g-C3N4结构中更亲和于电催化反应的电子结构。而通过计算三种催化剂的转移电子数得知三种催化剂的反应路径都为四电子路径,这也与理论计算的前提一致。