质子交换膜燃料电池具有清洁、高效、无污染等优点,被认为是替代化石能源、解决能源危机和环境问题的首选。到目前为止,其阴极催化剂都使用Pt/C催化剂来催化电极上的反应,其中碳作为导电体,Pt颗粒作为催化剂。然而,Pt/C催化剂在阴极氧还原反应（ORR）中存在成本高、稳定性差、ORR动力学迟缓、易腐蚀和CO中毒等问题,抑制了质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用。自从2011年Ti3C2Tx（一种新型二维材料）首次被报道以来,过渡金属碳化物/碳氮化物/氮化物（MXenes）已经成为一个庞大且不断增长的2D材料家族。作为一种新兴的二维材料,MXenes具备很多独特的性质。例如,金属导电率、表面积大、结构可调和亲水性等。这使得其有希望应用在能源转换和存储、电磁干扰屏蔽、催化、传感器等多个领域。此外,与其他二维材料不同是,MXenes表面丰富的官能团可以进行化学修饰,使得MXenes具有高度可调节的物理和化学性质。本文基于密度泛函理论,系统的研究了官能团修饰、过渡金属原子掺杂等表面修饰策略对MXenes的拓扑结构、电子结构、物化性质以及催化性能的影响,并进一步揭示其内在的调控规律和反应机制。在此基础上,从理论上设计出了活性高、稳定高、抗腐蚀、抗CO中毒以及较少贵金属用量的PEMFCs阴极催化剂,从而为高性能MXene基电极催化材料的设计提供理论指导。本文的主要创新点如下:（1）通过研究3d、4d、5d等过渡金属单原子修饰的V2CO2 MXene,提出了用于高效筛选催化CO氧化的单原子催化剂的一套标准,为设计、制备MXene基单原子催化剂提供了理论设计思路和指导。（2）通过研究V2C MXene负载Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au等过渡金属单层的几何结构、稳定性和催化性能,从原子尺度揭示了MXene和金属单层之间相互作用机理,为合理设计具有优化电子结构的燃料电池阴极ORR催化剂提供了有效途径。（3）通过研究Ti2C、Zr2C、Hf2C、V2C、Nb2C、Ta2C、Cr2C、Mo2C、W2C等MXene负载Pt单层的物化性质,提出并验证了一种用于设计稳定的MXene负载过渡金属单层结构的描述符,为高效寻找和设计高性能TM/MXene型ORR/OER双功能催化剂提供了新的策略。总之,本文通过研究不同表面修饰的MXene基催化剂的形貌、电子结构和催化性能的影响,揭示了金属-载体相互作用机制和调控规律,为MXene基高性能PEMFCs阴极催化剂提供了新的设计思路。同时希望对相关的实验工作提供理论指导。