在异相催化领域,二维材料得益于具有较大的比表面积、高迁移率以及易于发生界面传输等特性而受到了广泛关注。二维材料主要被当作载体材料来负载活性位点,例如,负载在二维材料（二维石墨烯、碳氮材料以及石墨炔等）上的单原子催化剂（SACs）得益于具有较高的原子利用率、良好的催化活性以及作为研究反应机理的理想模型而被当作是理想的异相催化剂。此外,通过对二维材料进行化学修饰来使其具备独特的性能,这一策略能提升二维材料自身的催化性能。在本论文中,第一个关注点是SACs上的活性中心之间的协同效应将如何影响SACs上发生的化学反应。大多数关于SACs的研究都假设每个活性位点单独地发挥作用,当活性位点的密度足够高时这种情况可能会发生明显的变化,两个相邻的活性位点可能会产生协同作用。但是,SACs中两个相邻活性中心的协同效应会如何影响反应还没有得到充分的探索。针对这一问题,本论文对掺氮石墨烯负载的SACs上发生的电催化氮气还原反应（NRR）进行了密度泛函理论（DFT）计算,以此深入了解相邻活性位点对这个重要反应的协同效应。计算发现,活性中心之间的协同效应会引起二氮化物以新的方式吸附以及不同的缔合机理。在此基础上,NRR过程中各反应中间体之间的固有的线性关系被削弱了。因此,合适密度的SACs可以获得更好的NRR活性。本论文的第二个重点是通过对二维材料的改性来提升其催化性能。1T-MoS2有较好的电催化析氢（HER）活性,DFT计算表明,对1T-MoS2进行钴和氧掺杂能大大降低其在碱性条件下催化HER的势垒,从而大大提升1T-MoS2的HER活性。在第一部分研究中（第二章）,研究了一系列Mo-N-C位点组成的SACs模型,这些模型由负载在石墨烯上分散的Mo-N-C位点组成,不同的位点间距离代表不同的活性位点密度。通过计算NRR过程的第一步质子化自由能变化（ΔG1）和第六步质子化自由能变化（ΔG6）发现:ΔG1和ΔG6在两个位点的距离减小到约6?之前不会有明显变化。在两个位点距离约为6?时,氮气分子两端各吸附在一个Mo-N-C位点上形成类似于桥的结构（桥连吸附）,这一吸附方式引起了新的缔合机理。此外,这种新的吸附方式或许可以打破传统的一个位点上NRR过程对应的线性关系。但是,当两个Mo-N-C位点的距离进一步减小到3 ?以下时,ΔG6会显著升高,这是中间体-NH2的吸附方式发生改变所导致的。因此,由于NRR过程中不同中间体的吸附方式和位点间距直接相关,两个活性位点之间的距离在合适范围时,其催化NRR的性能可以得到显著提升。第二部分研究（第三章）的出发点是基于第一个研究工作的猜想,即两个相邻的Mo-N-C位点或可打破单个Mo-N-C位点催化NRR过程中的线性关系。为了验证这一假设,设计了两组SACs模型:第一组是在石墨烯上负载单个MN4位点（MN4/G）,第二组是在石墨烯上负载两个相邻的MN4位点（DuoMN4/G）。计算发现,氮气在MN4/G上以端位或侧位方式吸时,氮气还原过程有以下三种线性关系:1、ΔG1和中间体-N2H的吸附能（ΔG*N2H）呈正相关关系;2、ΔG6和中间体-NH2的吸附能（ΔG*NH2）呈负相关关系;3、ΔG*N2H和ΔG*NH2呈正相关关系。在DuoMN4/G上,当氮气在一个MN4位点上以端位或侧位方式吸附时,仍有上述3条线性关系,但是当氮气以桥连方式吸附在两个MN4位点上时,ΔG1和ΔG*N2H之间的线性关系明显被打破,ΔG*N2H和ΔG*NH2的线性关系也变得更加有利于氮气还原反应发生。随着上述两个线性关系的变化,NRR的热力学变化朝着更有利于氨气生成的方向变化。在此基础上,预测DuoVN4/G具有较好的NRR活性。第三项研究（第四章）表面,通过在1T-MoS2中掺入钴和氧原子以及将其负载到石墨烯表面上来对其进行改性,可以降低1 T-MoS2在碱性环境下裂解水的能垒,从而有效提升其HER的活性。综上所述,本论文从机理层面上加深了对NRR过程中两个活性位点协同效应的认识,这可能从位点间协同作用的角度为打破多中间反应中固有的线性关系提供了一个通用方法。对二维材料进行掺杂或负载等修饰也可以改善催化剂的性能。预计这项工作可以为今后设计低维催化剂提供有用的信息。