随着化石燃料大量消耗引起的能源危机和日益严重的环境问题,质子交换膜燃料电池因无污染,功率密度高,低温运行等优点,正成为可再生能源技术发展的重点。在船舶领域,燃料电池能够辅助柴油发动机进行电力供应。燃料电池阴极催化剂仍普遍使用Pt/C催化剂,贵金属所带来的高昂成本阻碍了燃料电池的大规模应用。本文采用第一性原理计算方法,研究了一系列非贵金属掺杂碳材料催化剂,从热力学角度分析催化性能,为催化材料的设计与合成提供了理论依据。本文主要研究了以下内容:1.研究了TM₃（HHTP）₂单层的催化活性（TMX4,其中TM=Fe,Co,Ni,X=O,S,Se）。根据反应中间产物的吸附能,其吸附强度按Fe,Co,Ni的顺序减小。Ni和Fe掺杂体系的金属中心活性受其配体影响相对较小,相应的ORR过电势变化幅度分别小于0.10 V和0.15 V。而随着配体从O/S变为Se,Co体系的OOH和OH的吸附能显著减弱。Co O4和Co S4的ORR/OER过电势位于火山曲线的顶点,它们的吸附强度适中,过电势最小。2.研究了TM/O_x掺杂石墨烯的电催化活性（其中,TM=Fe,Co,Ni,Cu,x=1,2,3,4）,其中Ni O2-pen掺杂石墨烯催化剂具有低过电势和良好的稳定性。根据泡利不相容原理,Ni C4,Ni O1,Ni O2-pen和Ni O2-opp的4σ*反键轨道是充满的,电子排斥增加,削弱了中间产物的吸附能力。另外,随着O配位数的增加,结合能总体呈下降趋势,而TM/O位点的催化活性又与结合能成反比。结合能的增强一定程度上减弱了活性中心的吸附能力,并降低了相应的过电势,这对设计和筛选单原子催化剂具有借鉴意义。3.研究了不同基底（石墨烯,石墨烷和氟化石墨烯）掺杂TMN4催化剂的电催化性能。除了Ni N4锚固的石墨烷外,石墨烯官能化显著降低了TMN4活性部分的吸附能,其中掺杂Fe N4的氟化石墨烯ORR催化性能最佳。其次,中间产物OH的吸附能与对应d带中心呈线性关系。另外,石墨烯官能化加强了TM及其配位N原子的pd轨道耦合,稳定性大大提高,且sp杂化使N-p轨道得到相邻C-p轨道的调节,表明H/F原子修饰能够通过C、N原子改变石墨烯TM活性中心的电子结构,提高催化性能。