近年来,能源与环境问题日益严重,人们亟需可持续的清洁能源方案以替代现有化石能源。其中,以电能为核心的能量储存和引用引起了世界范围内的关注。因此,电化学储能和电催化是世界范围内最热门的研究领域。其中,锂金属电池作为储能器件具有极高的电池容量3860 mAh g-1和极低负极电位-3.04 V vs SHE（Standard Hydrogen Electrode）受到人们广泛关注。此外,关于电能利用也尤为重要,电催化剂可以将电能转化为化学能。重要的电催化反应包括氮气还原反应、电解水制氢等。电催化剂和锂金属电池具有极高的研究价值与商业应用前景。但是目前很多催化剂的催化机理尚不明确。例如,锂金属电池枝晶形核与生长机制和固态电解质界面（SEI,Solid Electrolyte Interphase）的形态与组成也不清楚。本论文工作方向主要分为两部分,一是理性设计电催化剂并预测其性能;其二是研究锂枝晶生长与SEI膜形成机制和影响因素,并给出相关理论设计与预测。本文的主要工作内容和结论如下:1.对催化氮气还原反应（Nitrogen Reduced Reaction,NRR）的单原子催化剂MoS2@SACs进行系统地研究。首先,我们计算了 Fe@MoS2催化NRR的反应路径,发现反应路径中N2的吸附,N2第一步加氢活化的形成能及氨的脱附会极大的影响整个反应的效率。其次,为了评价单原子催化剂结构稳定性,我们计算了单原子在MoS2表面的扩散能垒,扩散能垒越高,其结构越稳定。从结果来看,可以发现Re、Cr等单原子结构最稳定,大部分单原子催化剂均具有良好的结构稳定性。为了评价该催化剂的活性,我们计算了 N2的吸附能,决速步的形成能,氨的脱附能。结果表明N2的吸附能较优的单原子催化剂,对应氨的脱附能很高,则处于中间区域的Fe、Mn、Ir单原子催化剂相对较优。为了评价催化剂的选择性,我们计算了法拉第效率,从计算结果来看Ir@MoS2具有相对较高的法拉第效率64.11%和结构稳定性。综上结果,我们认为Ir@MoS2是23种单原子催化剂中催化效率最优的一种。2.电解水制氢是应对能源危机的一种可能的方向,但是受限于对应电极氧气析出反应（Oxide Evolution Reaction,OER）高热力学势1.23V。如果采用联氨制氢就不会存在这样的问题,并且可以很好的解决工业废水中的污染物。因此,我们希望构建一种高效的肼氧化和氢析出双官能团催化剂。而贵金属Pt、Rh等天然具有良好的电催化性能,如结构稳定富、电子活性位点和高晶面选择性等。我们依据实验合成和表征的结果,构建Rh/RhOx,Rh（111）,Pt（111）展开机理研究,计算结果表明Rh/RhOx与Rh（111）催化剂体系中的决速步发生变化,前者决速步是第二步脱氢,而后者是第一步脱氢且对应步骤形成能发生显著降低,且决速步形成能也低于纯Pt（111）。这表明氧的引入提高了肼氧化的能力。此外,通过对析氢反应的研究,发现Rh/RhOx的析氢能垒最低。这说明Rh/RhOx也是一个优异的高选择性析氢催化剂。综上所述,Rh/RhOx是一种十分优异的双官能团催化剂。3.锂金属电池中的枝晶是其抑制其应用的重要因素。目前,理想的方式是构建、均匀、致密的SEI膜来抑制锂枝晶的生长。我们通过开发动力学蒙特卡洛（Kinetic Monte Carlo,KMC）模型并施加外加电场和考虑SEI膜性质来模拟锂枝晶生长过程。结果发现,脉冲充电方式会抑制枝晶的生长、致密、均匀的SEI膜也会抑制枝晶的生长。4.Zn离子水系电池广泛应用于可穿戴设备,其溶液中的溶剂化结构会对离子的迁移速率产生很大的影响,进而影响电容器电容。我们依据实验信息,构建2M ZnSO4、ZnCl2溶液体系进行分子动力学模拟,并对模拟结果统计氢键数量,径向分布函数分析,溶剂化结构尺寸分析。径向分布函数表明,ZnSO4溶液中的离子配位是六配位,而ZnCl2溶液的离子配位是四配位,这说明Cl原子引入会取代一个H2O;且ZnSO4溶液中的氢键数量低于ZnCl2,表明Cl原子的引入改变了溶液中溶剂化结构,提高了 Zn离子在溶液中的迁移能力;通过尺寸分析,发现ZnSO4溶液中的尺寸大于ZnCl2,再次说明Cl原子引入,可以很好提高Zn离子在石墨烯孔道中的迁移能力。