质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFCs）作为一种新兴能源技术,具有能量密度及转换率高、绿色清洁环保等诸多优点。这一新能源技术的研究与发展对世界能源体系的更新优化具有极为重要的意义。众所周知,阻碍这一技术快速发展以及广泛实际应用的重要原因就是PEMFCs阴极所涉及的氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）缓慢的动力学问题,这就需要研发高性能的催化材料。针对ORR催化剂的研究工作,目前非金属碳基材料备受关注,且取得了许多重要进展。虽然碳基材料具有成本低廉、活性较高、结构多样等诸多优点,但是精准合成方法、材料稳定性等方面的限制仍使其无法广泛商业应用。贵金属体系仍然是ORR催化性能最佳、最被广泛商用的催化材料。贵金属体系催化剂的研究也持续不断,通过研究各种的改性方法提升其催化性能,使其具有更高的效率,努力将不可避免的高成本尽可能的转化为应用价值。但无论是催化活性还是稳定性方面仍有很大的提升空间,尤其是贵金属基催化剂的稳定性和耐久性方面。为此,探索新的、高效的、具有潜在应用价值的改性策略仍是提升贵金属催化剂性能及应用价值的重要手段。本文基于密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）计算,结合非金属掺杂改性的设计理念,对贵金属纳米颗粒进行系统研究,主要包括N,B和P掺杂Pt、Pd和Ag金属纳米颗粒。具体研究内容如下:1.非金属原子（N,B和P）掺杂Pt、Pd和Ag纳米颗粒结构会使得金属晶体结构产生晶格扩张,整体结构内部会承受相应的拉伸应力,拉伸应力可能会引起对含氧中间物种的吸附变强,这对于Pt和Pd的ORR催化活性是不利的,但是对于Ag的ORR催化活性具有正向促进作用。2.非金属原子（N,B和P）掺杂会使Pt、Pd和Ag纳米颗粒结构的热力学稳定性和电化学稳定性（耐久性）增强。通过各掺杂结构的内聚能与纯金属纳米颗粒结构的内聚能对比,无论是N,B或者P掺杂都会使结构内聚能显著增加,这表明非金属原子的掺杂会使金属纳米颗粒结构热力学稳定性得以提升。同时通过表面原子移除能的计算表明非金属原子掺杂同样会增强金属纳米颗粒结构的耐久性。晶体轨道哈密顿布局数（crystal orbital Hamilton populations,COHP）计算结果对稳定性提升也起到很好的解释支持作用。3.非金属原子（N,B和P）掺杂会使Pt、Pd和Ag纳米颗粒结构的ORR催化活性显著提升。B原子掺杂对于Pt、Pd和Ag的活性的提升都是最大的,ORR过电势分别达到了 0.317V,0.442V和0.374V。非金属原子掺杂后会使金属纳米颗粒结构表面的电荷分布变得更局域化。4.非金属原子（N,B和P）掺杂会使Pt、Pd和Ag纳米颗粒结构的d带中心值（d band center,εd）向促进ORR催化活性的方向移动。通过对各掺杂结构分波态密度和d带中心值的计算,结果表明非金属原子p轨道与金属原子d轨道的非常规杂化,使得Pt和Pd的d带中心值负移,Ag的d带中心值正移,这与之前报道的d带中心值理论很相符。经以上计算结果和结论分析表明非金属原子（N,B和P）掺杂会使Pt、Pd和Ag纳米颗粒结构的热力学稳定性、耐久性以及ORR催化活性都得到很好的正面促进作用。这说明非金属掺杂改性策略可能对于金属体系催化剂的性能提升表现出了极为有效的作用和普遍适用性。目前由于广泛商用的催化材料绝大部分仍是贵金属基催化剂,通过以上种种结论也表明非金属掺杂改性方法对于提升贵金属体系催化剂的实际应用价值也是极具意义的。与此同时,通过以上计算和结论对于实验合成相关结构的催化剂也具有指导意义。