当前,环境污染和能源危机等问题日益严峻,对社会发展和人类的生活产生了极大影响,因此寻找低成本、无污染、可持续发展的新型能源迫在眉睫。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高发电效率和低污染排放而备受瞩目,被认为是未来便携能源站和交通工具中潜在的能源装置。传统的PEMFCs催化剂是Pt/C型纳米催化剂（即金属Pt负载于碳黑表面）,但这类催化剂存在碳黑易在电化学环境中被腐蚀及表面金属Pt的化学稳定性较弱且价格昂贵等不足,因而寻找价格低廉、化学稳定性和催化活性高的“代催化剂”是解决生产实际问题的关键。使用过渡金属碳化物作为衬底材料负载金属单原子及单原子层催化剂的设计方案,有望替代传统催化剂,并解决PEMFCs催化剂中的存在的问题。本文以碳化铌（NbC）为研究对象,采用了第一性原理和密度泛函理论方法,选取其最稳定的非极化的（001）表面为催化剂基底,先后负载了9～11族金属单原子及金属单原子层催化剂,并通过不同的筛选标准,拟挑选最优催化剂。同时以Pt（111）为参考,对比了NbC（001）催化剂、NbC（001）表面负载的Pt和Pd单层催化剂对氧还原反应（ORR）和氢氧化反应（HOR）的催化活性,从而筛选出适宜的双效催化剂。上述研究对设计高效廉价的纳米催化剂提供了一定的理论价值,对缓解能源危机和环境污染等问题具有现实意义。主要研究内容及相关结果如下:（1）研究了9～11族金属（Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au）单原子在NbC（001）表面的吸附性质、电子结构及催化活性,并将此类单原子催化剂表示为M/NbC（001）。通过分析金属原子相对于费米能级的d-带中心位置和分子前线轨道理论发现,Co,Rh,Ir,Ni在NbC（001）表面比其他贵金属单原子催化剂的活性更高。研究表明,不同单原子催化剂的活性差异与M/NbC（001）的功函数和电负性有关。同时测试了Co,Rh,Ir,Ni在NbC（001）表面的抗氧化性和抗团聚性,结果表明,四种金属单原子催化剂均具有良好的抗团聚性能,但Co和Ni在NbC（001）表面的抗氧化性较弱,Rh/NbC（001）和Ir/NbC（001）具有抗氧化性。为进一步验证Rh/NbC（001）和Ir/NbC（001）的催化性能,我们计算了氧分子在其表面的吸附与活化反应,结果表明,Rh/NbC（001）和Ir/NbC（001）是优异的单原子催化剂。（2）研究了9～11族金属（Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au）单原子层在NbC（001）表面的“浸润性”、化学稳定性及催化性质,并将此类单层催化剂表示为M_ML/NbC（001）。结果表明,Pd_ML/NbC（001）和Pt_ML/NbC（001）具有最强的化学稳定性、“浸润性”和催化活性,且前者的活性更高。同时我们通过计算O₂分子在Pd_ML/NbC（001）表面的吸附和解离反应,以验证催化剂的ORR活性。（3）研究了氧系小分子（O₂,O,H₂O）在Pd_ML/NbC（001）,Pt_ML/NbC（001）和NbC（001）三种催化剂表面吸附性质及O₂分子的解离过程,结果表明,NbC（001）易发生氧中毒现象,不适合用作ORR催化剂。同时计算了H₂在Pd_ML/NbC（001）和Pt_ML/NbC（001）表面的解离势垒,发现后者具有更高的HOR活性。为进一步验证Pd_ML/NbC（001）的ORR催化性质,我们模拟了完整的ORR过程,结果显示,反应中的限速步势垒为0.73 eV,比Pt（111）表面的情况更乐观（限速步势垒为0.79 eV）,表明Pd_ML/NbC（001）是良好的ORR和HOR的双效催化剂。