发展清洁能源技术是解决人类目前面临的两大问题—化石能源枯竭和环境污染—的主要手段。利用电化学转化技术可以为我们的未来提供清洁、可持续利用的能源。例如,利用氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）和氢氧化反应（hydroxide reaction,HOR）制备燃料电池;利用一氧化碳还原反应（carbon monoxide reduction reaction,CORR）和二氧化碳还原反应（carbon dioxide reduction reaction,CO2RR）可以将CO和CO2转化为高附加值的化学品（烷烃、烯烃和醇类）;利用一氧化氮还原（nitric oxide reduction reaction,NORR）和氮气还原（nitrogen reduction reaction,NRR）可以将NO和N2转化为NH3。而实现电催化转化技术的核心是寻找合适的电催化剂。单原子催化剂因其最大的原子利用率、高催化活性及选择性成为催化领域的研究热点。由于单原子较高的比表面自由能,单原子容易耦合为纳米颗粒从而导致催化剂失去活性。因此,寻找合适的锚定单原子的载体是实现单原子催化剂结构稳定的关键。本论文讨论了以两种新型的非金属材料为基底的单原子催化剂的设计和相关反应的催化机理。首先,在众多材料中,硼材料的缺电子特性使其成为可以稳定具有富电子性质的金属单原子的潜在基底。纳米硼团簇的缺电子特性及其本征空位使负载在其上面的富含电子的过渡金属原子容易发生电荷转移从而增强金属-载体配位键。因此,我们选取纳米硼团簇的典型代表B36作为锚定单原子的载体。其次,作为石墨烯的类似物,六方氮化硼（h-BN）点缺陷（硼缺陷和氮缺陷）的引入可以提高其化学活性,提供更加丰富的金属配位环境,催化更加复杂的电化学过程,从而使其成为优良的催化剂载体来锚定单原子金属。本论文包括四部分内容。第一部分主要对单原子电催化剂研究背景、研究意义和研究现状进行简单介绍,并基于研究现状和不足确定本论文研究内容的重要性;第二部分介绍了量子化学基本理论、相关的计算方法和所用软件;第三部分研究纳米硼团簇的典型代表B36负载单原子催化燃料电池阴极反应氧还原反应,通过计算反应中的吉布斯自由能变化判断其催化活性及选择性,利用Bader电荷、电荷差分密度、局域态密度分析其电荷转移情况和金属-载体相互作用;第四部分研究过渡金属单原子锚定在硼空位的六方氮化硼上电催化一氧化氮还原为氨气的催化过程,计算不同体系吉布斯自由能变化并分析其电子结构寻找催化活性的来源。主要研究结论总结如下:（1）研究了一系列过渡金属单原子与B36的结合能及电荷转移,计算结果表明金属单原子可以稳定的负载在B36的中央六角孔中。在确定单原子催化剂结构稳定性的基础上,我们进一步研究了 M@B36上氧还原反应的机理。通过计算反应中的吉布斯自由能变化发现Ni@B36可以以较低的过电位及较高选择性将氧气还原为水。（2）研究了具有硼缺陷的六方氮化硼负载过渡金属单原子在一氧化氮电还原为氨气的应用。结果表明单原子金属Ni及Cu负载在h-BN上可以以较高的活性及法拉第效率将NO还原为NH3。其中Cu@h-BN在催化此反应中的限制电位仅为0.23V,低于贵金属基催化剂。通过态密度分析可知在费米能级附近,金属Cu的d轨道与NO分子中氮原子的p轨道杂化,活化了 NO分子,因此其具有比较好的催化活性。