二氧化碳转化和利用是应对温室效应和能源短缺的重要策略。CO₂加氢转化为甲醇,是转化和储存CO₂的理想方法。该反应所采用催化剂以负载型Cu基催化剂为主,但其存在反应条件苛刻,对目标产物的选择性低以及转化率低等问题。单原子催化剂（Single atom catalysts,SACs）凭借其催化效率高、结构稳定、原子利用率高等优点,近年来备受关注。目前,关于SACs的研究难点主要集中于制备方法。制备SACs的关键是实现金属前驱体的原子级分散,一般可通过空间限域、缺陷捕获、配位点锚定等策略进行。本文采用第一性原理中的密度泛函方法,借助Material Studio软件包中的DMol³模块,从理论角度构造载体缺陷和配位锚点,构建氮掺杂缺陷石墨烯负载的Cu单原子催化剂,旨在探究单原子形成机理,为制备方法的改进提供理论依据。并进一步探究了SACs催化CO₂加氢制甲醇反应机理,给出了理论最优反应路径。具体研究内容如下:（1）在构建完美石墨烯模型的基础上,构建单/双空位缺陷石墨烯和N掺杂石墨烯模型,最后构建吸附单个Cu原子的掺N石墨烯,即负载型Cu单原子催化剂模型。对所有的模型进行几何结构优化计算,进一步计算Cu原子结合能和电子结构,并分析其稳定性。发现单空位缺陷N掺杂石墨烯对Cu原子的吸附都不稳定,Cu原子凸出于石墨烯平面;双空位缺陷氮掺杂石墨烯对Cu单原子的吸附能均为负,表明能稳定吸附于载体上,Cu原子均嵌于衬底平面内,其中两个N掺杂长边邻位的结构对Cu原子的吸附能最大,达到-3.349 eV。态密度分析结果表明,Cu原子主要是与其相邻的C、N原子产生杂化作用锚定于衬底上;Mulliken布居分析表明Cu-N间的相互作用是单原子锚定在载体上的主要因素。（2）选取最稳定的Cu单原子催化剂模型,即吸附于双空位缺陷掺杂两个N长边邻位的结构,通过不同反应路径反应热和反应能垒计算,明确反应路径和机理。选取了三条反应路径进行计算,路径一为CO₂加氢得到HOCO*,HOCO*继续加氢得到COHOH*,COHOH*脱去OH*得到COH*,COH*连续加氢得到H₃COH;路径二为CO₂连续加氢得到HCOO*和HCOOH*,再脱去OH*得到HCO*,HCO*连续加氢得到CH₃OH;路径三则是CO₂脱一个氧得到CO,CO连续加氢得到HCO*、HCOH*和CH3OH。通过反应热计算得到路径三为最优路径,反应热能量仅为0.33 eV;过渡态搜索结果表明路径一为最可能反应路径,过渡态能垒为4.62 eV,路径二和路径三的能垒分别为4.66 eV和5.78eV。综合热力学与动力学结果分析来看,路径一为Cu单原子催化剂催化CO₂加氢制甲醇反应最为可能的反应路径。