二维材料与三维材料相比,具有更高的比表面积,金属原子在其上能够较为均匀的分散,不仅提升了金属原子的利用效率,而且可以形成形态各异的活性位点。因此,以三维材料为负载的过渡金属粒子通常具有良好的催化活性。当减小过渡金属粒子的尺寸至单个原子时,由于独特的电子结构和单原子活性中心的不饱和配位环境,催化剂的性能可由此得到大幅度的提升[1-3]。然而,目前我们在设计和制备具有较高稳定性的单原子催化剂方面仍然面临着巨大的挑战。其主要原因是过渡金属负载在二维材料表面过于活泼,从而导致了原子发生团聚,失去了单原子的形貌分布。因此选择合适的二维基底材料对具有良好分散性的单原子催化剂显得尤为重要。借助不断发展的计算机技术和密度泛函理论,设计和探索新型、高效的催化剂能够为实验提高理性的指导。在本文中,我们通过吸附能计算,电荷密度分析,态密度分析,在-带中心理论,过渡态搜索,反应路径分析等方法系统研究了三种二维材料负载过渡金属单原子作为单原子催化剂的过程,具体内容如下:(1)二维N掺杂碳材料:选取二维酞菁分子中心负载一系列过渡金属单原子(TM-Pc)作为单原子催化剂模型进行丙烷脱氢(PDH)的研究。结合过渡金属的态密度分析和Br(?)nsted-Evans-Polanyi理论,具有最低C-H反应热(1.01 eV),适宜的丙烯的吸附能(-0.55 eV)的2D Ru-Pc成为潜在的PDH催化剂。选取二维pyridine-N2(N2/C-a,N2/C-b)负载一系列过渡金属单原子(TM-N2/C)作为单原子催化剂模型进行双功能HER-OER的研究。以H原子的吸附能AGH和水解自由能△GH2Q作为酸/碱HER催化活性的衡量标准。以PDS(potential-determining step)中的过电位作为OER催化活性的评估标准。结果显示,Ni-N2/C-a可作为优异的HER-OER双功能催化剂适用于广泛的pH范围。(2)二维Si掺杂碳材料选取不同Si/C掺杂比例的硅基石墨烯(SiC,SiC2,SiC3,SiC5,SiC7)负载过渡金属原子(TM-SiCx)作为单原子催化剂的模型进行研究。对于SiC表面,Pt-SiC可作为稳定高效的HER催化剂。对于SiC2,SiC3,SiC5,SiC7,过渡金属原子易在其表面团聚可形成不同的团聚构型。(3)二维金属硫化物材料选取二维VS2负载过度金属Cu原子(Cu-VS2)作为单原子催化剂模型进行ORR的研究。单原子Cu稳定吸附于V原子的top位可作为ORR独立高效的催化活性位点。(1)O2(g)+H++e-→OOH+,(2)OOH*+H++e-→HOOH 的 2 e-ORR路径以0.49 V的过电位成为最优反应路径。