宇航动力技术的提升离不开先进的燃料电池技术支撑。化学能源,包括氢气、氧气、碳氢化合物等是航天器电源系统重要组成部分之一。化学能源目前研究重点之一是开发高效制备这些气体及化合物的催化剂。二维过渡金属碳氮化物（MXenes）具有高稳定性、大比表面积、高导电性等优异性质在能源转换领域具有潜在的应用前景。本文以设计高效电催化剂（析氢、析氧、氮/氧/二氧化碳还原）为目标,以二维MXenes功能化表面终端为研究对象,采用第一性原理计算系统研究了MXenes功能化表面终端作为电催化剂的催化性质,为实验合成高效催化剂提供了理论依据。实验合成MXenes是其得以应用的前提。在实验中可通过刻蚀和剥离陶瓷相MAX获得二维MXenes结构。本文首先系统预测了超过50种MAX相刻蚀剥离成MXenes的性质。研究结果表明对于所研究的MAX,大部分MAX相的元素A与多层MX结构结合能越大,MAX剥离为MXenes的剥离能越大。MAX相剥离能小于0.253 eV/?2易合成MXenes;高于0.253 eV/?2不易合成MXenes。通过HF刻蚀Cr2Al C相,研究发现无论最先产物是Cr₂CF2或Cr₂C（OH）2,刻蚀反应最终产物均为含氧终端的Cr₂CO₂,表明含氧终端具有极高的稳定性。同时在剥离过程中需要金属阳离子参与,并且刻蚀会导致Cr₂CO₂结构中碳空位的形成。氢能作为一种新型燃料,具有高燃烧值、清洁等特点,对替代传统化石燃料,实现宇航动力提升具有重要意义。本文系统探讨了30种MXenes结构析氢（HER）活性。并以Cr₂C为研究对象研究了过渡金属和碳空位缺陷对Cr₂CO₂结构HER性能的影响规律。研究结果表明MXenes表面氧p电子轨道能级中心εp可以描述MXenes的HER性能,含氧终端表面在εp为-4.1到-3.3 eV时能获得最优HER性质,同时Cr₂C MXene表面HER遵循Volmer-Heyrovsky机理。过渡金属Ni和Co修饰Cr₂CO₂后的结构在一定Ni或Co覆盖率下能实现HER性质的提升,且最优析氢反应吉布斯自由能变化（?GH*）接近0 eV。同时在含有低浓度碳空位时可以改善Cr₂CO₂表面HER性质。此外,含有双金属有序结构M?2M?C2O₂ MXene在一定氢覆盖率下能获得优异HER性能。电解水析氢反应会受到析氧反应（OER）的控制。针对多电子和质子参与的OER,本文以Cr₂CO₂为研究对象,进一步探讨了Ni₂P界面复合和单金属原子负载对Cr₂CO₂表面OER和HER影响机理。结果表明Ni₂P/Cr₂CO₂体系HER和OER过电位分别为0.09 V和0.80 V,相比复合前体系的HER和OER性质都得到了提高。且Ni₂P/Cr₂CO₂体系HER遵循Volmer-Heyrovsky机理,且其HER活化能低至0.68 eV。进一步研究表明在所有研究的体系中,Ni负载在Cr₂CO₂表面具有优异HER和OER活性,对应过电位分别为0.16和0.46V,同时负载体系结构稳定,不易形成纳米团簇。碳/氮氢等化合物在航天领域具有重要应用。因此本文最后考察了MXenes结构用于催化氮氧还原生成碳/氮氢/氧性质。研究结果表明Sc₂CO₂、W2NO₂具有最高的的氧还原活性（ORR）活性,对应ORR过电位分别为0.68和0.54V;Nb₂CO₂和Ta₂CO₂具有最高的CO₂还原为CO活性,对应二氧化碳还原（CO₂RR）极限电位（UL）分别为0.23和0.37 V。进一步研究发现F终端MXenes会削弱其表面ORR和CO₂RR活性,在实验合成过程中应避免出现F终端。另外,本文研究了不同过渡金属负载在Ti₂NO₂表面作为N2还原反应（NRR）催化剂的活性,结果发现Mo/Ti₂NO₂体系呈现金属性,由于Mo与N2轨道杂化,Mo能有效促进N2解离。在研究的体系中,Mo负载在Ti₂NO₂表面体系具有最低的NRR过电位,为0.16 V。本文理论预测了MXenes含氧终端催化性质和机理,设计了界面复合和单金属负载MXenes催化剂,为实验合成优异析氢、析氧、氧/氮二氧化碳还原催化剂提供了理论参考。