化石燃料的不断消耗引起的能源危机和环境问题备受关注。开发可再生能源转换系统对实现能源的可持续发展具有重要意义。与可再生能源转换相关的化学反应主要有电催化氧还原反应（ORR）、氢氧化反应（HOR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）。具有高电催化活性的贵金属通常用来提升这些反应缓慢的动力学过程。但贵金属昂贵的成本和稀缺的资源导致其在工业中的应用受到限制。各种各样的材料被研究用来代替贵金属催化剂。其中,二维（2D）材料由于电催化性能良好、性质可控和价格便宜的优点而有望替代贵金属,实现大规模的工业生产。为了提升2D材料的电催化性能,科研人员通过引入衬底、构建界面和杂原子掺杂等方式对材料的电催化性能进行了有效的调控。但是对于衬底和界面如何调控材料的电催化性能及其机理尚需进一步理论研究。本论文基于密度泛函理论（DFT）计算,以引入衬底和构建界面为前提,通过杂原子掺杂、施加应变和尺寸调控等策略设计了用于电催化过程的催化剂,并分析了这些策略如何影响材料的电催化性能及其机理。主要的研究内容和结论如下:1.我们研究了过渡金属支撑的吡啶氮掺杂的多孔石墨烯的电催化ORR过程及其机理。结果表明,电催化ORR过程的最佳活性位点是与吡啶氮相邻且位于金属原子的孔位的碳原子。金属衬底Co（0001）和Ni（111）的引入把过电位分别降低至0.44和0.41 V,比Pt基准催化剂的0.45 V还要低。这种催化活性来自于金属衬底与石墨烯的碳原子之间的电子耦合以及石墨烯中由氮原子引起的电荷分布。这种催化活性可以通过活性位点碳原子的pz带中心和施加应变调控。2.我们对不同尺寸的金属Ni负载于石墨相碳化氮（g-C3N4）衬底的电催化CO2RR过程进行了研究,并进一步探讨了其活性和选择性的差异及其内在机理。对于电催化CO2RR过程的最佳反应路径,Ni（111）生成CH4的能垒是0.71 eV,单原子Ni负载于g-C3N4衬底生成HCOOH的能垒是0.44 eV,Ni4团簇负载于g-C3N4衬底生成CH4的能垒是0.92 eV。为了提升电催化CO2RR性能,对Ni基双原子金属负载于g-C3N4衬底的电催化CO2RR过程进行了研究。研究表明,双原子NiV负载于g-C3N4衬底生成CH4的能垒是0.54 eV。进一步探究了电催化析氢反应（HER）过程,即电催化CO2RR过程的副反应,以探究这些材料选择性的差异。这些计算结果说明单原子Ni负载于g-C3N4衬底电催化CO2RR的活性最佳,双原子NiV负载于g-C3N4衬底的选择性最高。这种催化活性来源于Ni基金属活性中心与g-C3N4衬底和反应中间体之间的电荷转移作用。催化活性和选择性的差异来源于不同尺寸的Ni基金属催化剂对CO2分子的活化程度,以及活性中心与反应中间体之间的电子耦合。3.我们研究了Ni基界面结构的电催化HOR过程的性能及其机理。相对于Ni3C化合物和金属Ni,Ni/Ni3C界面具有最佳的H*和OH*的吸附强度,更加有利于电催化HOR过程。反应的最佳活性位点是界面处3个Ni原子的孔位。Ni/Ni3C界面在Volmer反应中的能垒为1.08 eV,分别比Ni3C（113）表面和Ni（111）表面低0.12和0.23 eV,这说明界面的存在有效促进了电催化HOR过程的进行。根据d带中心理论证明了 HOR过程的反应中间体的吸附能与活性位点金属Ni的d带中心的位置相关。这种高HOR催化性能来源于Ni/Ni3C界面结构在界面处的Ni原子和碳原子存在的强相互作用。