质子交换膜燃料电池（PEMFCs）被认为是一种清洁高效的绿色环保能源装置,其阴极氧还原反应（ORR）是一个动力学十分缓慢的过程,需要高效的催化剂加速。该过程目前常用的是Pt及Pt基催化剂,但其持久性和高成本限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用,开发新的高效、低成本的氧还原反应催化剂显得十分迫切。由于催化剂在实验中合成时间较长且无法准确地观察其反应过程而造成成本增加,同时理论计算已经被证实能够有效、准确评价氧还原反应催化剂的性能,能够为高效氧还原反应筛选相关催化剂备选物。本文共设计了三类不同的氧还原催化剂,采用密度泛函理论对氧还原反应催化剂进行理论评估,进而为探求高效的氧还原反应催化剂提供理论指导。本论文共有以下四个部分:第一部分绪论。这部分内容主要介绍了燃料电池的基本原理及其类型、氧还原反应的基本原理和常见催化剂以及密度泛函理论的基本原理和发展历程。第二部分Pt掺杂氧化石墨烯在酸性介质中催化氧还原反应。基于石墨烯设计了Pt掺杂完美石墨烯及氧化石墨烯氧还原反应（ORR）催化剂。计算了氧还原反应中间体O₂、O、OOH、OH、H₂O和H₂O₂在不同掺杂石墨烯上的吸附性能、反应步骤与反应相对能量变化。计算结果表明,掺杂了Pt的氧化石墨烯在O₂的活化、中间体吸附、掺杂难度（缺陷形成能）、能带带隙以及在反应中相对能量的降低都优于掺杂了Pt的完美石墨烯,其中催化性能最为优异的是Pt-OH-G和Pt-O-G。通过计算吉布斯自由能发现极限电位分别为1.40 V和2.34 V。第三部分取代基对卟啉催化氧还原反应活性的影响。通过研究供电子基团与吸电子基团对卟啉催化氧还原反应活性的影响,发现随着取代基基团的加入能够明显改变卟啉分子的氧还原活性。相比于供电子基团,吸电子基团在对卟啉进行取代时具有更高的催化活性,供电子取代基只有在对卟啉进行四取代时才能提供最高的活性。在设计的十种供电子取代基催化剂中,TrOPP和PNPP极限电位在2.4V左右。吸电子基团进行取代时只有TeFPP通过2e^-路径进行反应,其余催化剂均通过4e^-路径进行反应,通过计算吉布斯自由能发现极限电位在2.4 V左右。第四部分吸电子取代基在咔咯中对氧还原反应的影响。本部分在第二部分基础上,通过改变了大环化合物,进一步研究了取代基对其所产生的影响,选取了上一部分中表现最好的三氟甲基作为取代基,共设计了五种不同的咔咯催化剂。计算结果表明随着该取代基的加入能够明显增强咔咯的氧还原催化性能,将原本不具备氧还原催化能力的咔咯变为比较优秀的氧还原电催化剂,最终得到了CL1、CL2和CL3三种高效的氧还原电催化剂备选物,通过计算吉布斯自由能发现三种催化剂的极限电位全部在1.8 V以上。