随着环境污染和资源衰竭的日益加重,可持续,清洁能源已经成为现代社会发展的主要导向,可持续的第一个部分是电催化能源存储和转换设备,氧还原（ORR）和析氧（OER）是关键的两个反应。可持续链的另一个部分是可充电电池,锂离子电池（LIBs）由于超高的能量密度已经被广泛商业化,然而锂的价格和储量无法满足大规模的应用,因此科研工作者把目光转移到与锂化学特性相似,价格便宜的钠上,设计高性能的电极材料是钠离子电池发展的根本。缺陷结构可以改变纳米材料的电子结构和表面性能,某些原子的缺乏或/和晶格的重建破坏了电子空穴对称性。先前发表的工作已经对缺陷碳材料的ORR/OER及SIBs性能进行了研究,我们通过密度泛函理论在碳基缺陷材料的基础上进行结构设计与性能研究,分别设计了具有优异ORR/OER性能的缺陷碳基材料和优异SIBs性能缺陷碳基材料。本论文的主要工作如下:（1）以Fe、Ni两种金属为例,通过密度泛函理论设计研究了缺陷5,缺陷5775和缺陷585对M-N₄结构的ORR、OER催化性能及其电子结构的影响。详细计算了ORR和OER的反应路径,随后计算了分波态密度（pDOS）、差分电荷、bader电荷等对不同缺陷M-N₄结构的电子结构进行表征分析。结果表明,缺陷对M-N₄结构的ORR和OER性能均有提高。而对电荷转移的计算结果表明,缺陷的引入使Fe上的电荷减少,这对FeN₄结构的ORR与OER性能是有利的。缺陷引入后Ni原子上电荷累积更多,有利于催化反应的进行。因此,缺陷的引入可以极为显著的通过调节M-N₄结构电子结构,改变与中间体的相互作用,来改善ORR和OER的催化性能。（2）我们通过密度泛函理论模拟了氮功能化,氮氧功能化,氮氧磷功能化的缺陷碳结构的电子性质及Na⁺吸附扩散性能,结果发现将缺陷碳纳米片N/O/P功能化可以提高碳的电子电导率,在缺陷碳层杂原子功能化区域有更多电荷累积。同时采用氮源丰富的生物质材料羧化壳聚糖（CC）和含磷丰富的植酸（PA）为前驱体,通过简单的热处理合成N/O/P功能化超薄碳纳米片气凝胶（NOP-CNSAs）。制备的NOP-CNSAs具有超高比表面积（SSA）和超薄的厚度～1nm。在作为SIBs的负极材料时,NOP-CNSAs在100 mA g^-1电流密度下的比容量为317 mAh g^-1,循环稳定性优异(在1000 mA g^-1电流密度下容量超过3000次循环不衰减)。