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燃料电池和金属空气电池是将化学能转化为电能的有效装置,由于阴极反应动力学的缓慢,必须使用催化剂加快O2的还原。Pt基催化剂是目前最有效果的氧还原催化剂,由于储量低,价格昂贵,易中毒等问题,严重制约了这两种装置的大规模商业化应用。开发价格低廉,具有高活性和稳定性的催化剂迫在眉睫。由于碳基催化剂的诸多优点引起了研究者们的广泛关注。本文分别制备了Fe–Ni原子对双功能催化剂和Zn单原子氧还原催化剂,并且通过密度泛函理论对催化剂进行系统的理论研究,主要内容和结果如下:1.氮配位双金属原子催化剂在非贵金属电催化剂中具有出色的氧还原（ORR）和氧析出（OER）催化活性和选择性。然而,对于此类系统的催化性能的进一步改进仍然具有挑战性,并且双金属原子对的设计需要理论指导。我们通过第一性原理计算发现,电荷巡游与中心金属电子的自旋极化之间的协同效应对催化活性具有重要意义。遵循这一概念,开发了Fe–Ni原子对作为ORR和OER的优良双功能催化剂。密度泛函理论（DFT）研究表明,通过与Ni耦合,可减轻Fe的自旋极化,并有效地增强Fe 3d（反应中心）的离域,因此,这有利于中间体的最佳吸附（脱附）以及催化剂和中间体之间灵活的电子传递。因此,如此构造的催化剂表现出令人印象深刻的ORR和OER性能,相对RHE的ORR半波电位(E1/2)为0.861 V,OER过电位(EJ=10)为0.322V。同时,作为双功能评价指标,从ORR到OER的电势差（ΔE）为0.691 V,远小于商业Pt/C（1.025 V）和IrO2（1.051 V）。2.基于M–N–C（M为过渡金属）的单原子催化剂是替代贵金属催化剂的革命性技术,其中Zn–N–C以其优异的稳定性而著称,但仍有很大的发展空间可提高其活性。在本文中,提出了竞争性络合策略,引入额外的B杂原子,利用大的电负性差异来增强电荷的不平衡。揭示了独特的B–Zn–N路径至关重要,其中Zn 4s轨道充当电子“沉积”的“电子库”,因为B更愿意提供电子。同时,鉴于从满排的3d10内部结构中获得的巨大屏蔽作用,这些电子很容易在ORR过程中被O2“吸收”。因此,在酸性和碱性介质中ORR活性大大提高,半波电位分别为0.886 V和0.714 V。在提高ORR催化活性的同时,Zn原子的特殊电子结构保证了Zn/BNC催化剂的稳定性。长循环稳定性测试中,在0.85 V高电位和1600 rpm转速下,经过40000 s的测试,电流保持率在92%,表现出了优异的稳定性。