质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为新型清洁能源转化装置得到大家的广泛关注。它有着较高的能量转化率和能量密度等优点。然而阴极氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）在动力学上限制了总反应速率,现阶段常用的铂基催化剂由于价格高、催化过程不稳定等原因,使其不能得到广泛的商业应用。近年来碳基催化材料作为ORR催化剂被广泛的研究,其中富勒烯结构由于电化学稳定性高和导电性强等特点倍受关注,并且从成本角度来看,有望成为主要的商业化催化材料。目前C60结构催化ORR并没有详尽的研究,对氧还原反应四电子与两电子选择性的研究成果也并不完善。所以本文利用密度泛函理论（DFT）探究改性C60对氧还原反应催化性能的影响,并筛选出催化两电子或催化四电子反应的有利结构,进一步提高催化活性与选择性。论文主要研究内容如下:1.以C60为基体结构,首先利用过渡金属内嵌的方式对其进行改性（M@C60）,对氧还原反应电催化性能进行研究。得出Mn@C60结构催化四电子反应过程过电势为0.44 V（贵金属铂基催化剂理论值为0.45 V）。对于两电子反应,反应路径遵循OOH离子反应机理,利用限制电势（UL）作为判断依据,得到Ti@C60催化两电子反应UL为0.347 V（理论最大值为3.55 V）。最后对四电子与两电子反应进行筛选,得出Mn@C60和Cu@C60结构有利于四电子反应生成水,Ti@C60和Cr@C60有利于两电子反应生成过氧化氢。最后利用过渡金属原子的电负性与氧和氢原子电负性作为描述符,对C60包裹不同金属结构的ORR过电势和限制电势具有很好的预测性,从而预测包裹结构的催化性能。2.进一步调整改性方式,利用有机分子与之复合,得到周期性结构分子结构。并对其氧还原反应电催化性能进行研究。合作方在实验中合成N-C60-Ph结构并进行结构与催化性能的分析,综合实验结果,我们通过计算预测该结构主要以一维链状结构,验证了 N掺杂前后催化性能和导电性都得到明显的提高。通过自由能变化证明N-C60-Ph结构有利于催化四电子反应。同时结合第三章结果（Mn@C60和Cu@C60结构对四电子转移反应具有良好的催化性能）,再次调整结构,将Mn与Cu原子嵌入N-C60-Ph结构,结果表明,由单个C60分子转变为复合结构,催化性能有所提升,并且N与Mn,Cu之间的协同作用产生了积极的影响,与单纯N掺杂结构或单纯包裹金属结构相比催化活性进一步提高,计算得Mn@C60-Ph-N结构催化ORR过电势仅为0.37 V。3.接下来,利用单原子MN4形式再次对C60进行改性,并对其催化性能进行研究。发现CuN4-C60结构催化四电子反应过电势仅为0.32 V。通过态密度对吸附强弱进行分析。然后根据电离能、原子半径和d带中心找出了合理的描述符,对MN4-C60结构的ORR催化性能起到较好预测作用。最后进行选择性分析,发现生成的H2O2并不能稳定存在,会进一步反应生成水。全文对C60基改性结构的氧还原反应的催化性能进行了系统研究,分别从掺杂和连接方式上进行设计,使得ORR催化性能不断提升,并筛选出有利于催化两电子或四电子反应过程的结构,并从电子、原子层面确立了 C60基结构与其催化性能之间的构效关系。通过本项工作,不仅对如何改性C60基材料,提高其对ORR的催化性能这一问题有深刻的探究解答,预测选择出催化性能优异的C60基材料,而且为其他碳基催化材料的设计与筛选提供了理论基础和指导。