随着人口过度增长、能源危机和环境污染等问题进一步加剧,科学家们需要致力于研究开发更高效的催化剂材料来缓解人们在生活和工业生产中所遇到的困难。一氧化碳（CO）是主要的大气污染物之一,因此在工业生产和汽车尾气中使用高效的催化剂除去CO具有重大意义。随着理论研究逐步发展,科学家们发现催化剂的尺寸减小其表面自由能会提高,从而更小尺寸的单原子催化剂进入人们的视野。单原子催化剂具有迅速增大的表面自由能、不饱和的配位环境、量子尺寸效应以及金属-载体的相互作用等特性促使其具有优良的催化性能。相对于传统的贵金属催化剂而言,单原子催化剂中的每个金属原子都可以作为活性位点,从而可以在催化效率上达到“以一当十”的效果;并且单原子催化剂还能大大降低工业生产中的催化剂成本。在本文中,我们主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了两个不同的单原子催化剂体系,探索了CO在其上的氧化反应机理。第一个体系是类卟啉锰氮四掺杂在碳纳米管（MnN4-CNT）,第二个体系是钛原子掺杂在二氧化锡（110）表面（Ti/SnO₂（110））。主要的研究结果如下:1、CO在MnN4-CNT基底上多种氧化机理研究。我们首先采用第一性原理分子动力学模拟,检验了MnN4-CNT基底的稳定性。进一步研究了CO和O₂分子在MnN4-CNT基底上的吸附特性,研究发现CO和O₂分子更倾向于吸附在MnN4中心位点,而且CO吸附比O₂的吸附略强一些。我们集中探究了CO在MnN4-CNT基底上氧化的三种反应机理:Eley-Rideal（ER）机理,Langmuir-Hinshelwood（LH）机理和一个新型的“三分子”Eley-Rideal（TER）机理。研究结果表明,在三种反应机理中,TER反应机理是最有利的,与其他的反应机理相比较其限速步的反应势垒只有0.69 eV。这些研究结果表明,在室温下MnN4-CNT基底对于CO氧化反应具有较高的催化活性。2、CO在Ti/SnO₂（110）表面上的气敏机理研究表明,单原子Ti最有利的掺杂位置是在顶层的Sn原子处。在Ti/SnO₂（110）表面上,CO很容易与顶层桥位处的氧原子发生反应,生成二氧化碳（CO₂）分子。氧空位形成能计算结果发现,顶层桥位处的氧空位比较容易形成,并且含有这种氧空位的体系结构能提高传感器的灵敏度。我们集中研究了CO分子在Ti/SnO₂（110）表面上的气敏机理,发现了两种良好的CO氧化反应途径,这两种反应途径都具有较小的反应势垒,分别为0.67 eV和0.83 eV。这些结果表明,单个Ti原子掺杂的SnO₂基气体传感器对于CO气体有优秀的捕获性能。