无处不在的化学反应是人类生存和社会发展的基础,作为高选择性和快反应效率的核心部分,寻找和优化催化剂一直是现代社会发展的长期目标。石墨烯是一种单原子厚度、六边形网格结构、由sp~2键组成的碳材料,它具有独特的几何结构、电子特性以及在恶劣的酸性或碱性环境下良好的化学稳定性,所以成为了理解原子级分散的负载型催化剂物理化学基本原理的理想载体。但是纯石墨烯往往对金属原子的吸附并不敏感,而氮掺杂的石墨烯则可以改变其费米能级,从而改变能带结构,增强催化活性,同时含有缺陷空位的石墨烯又能加强对负载金属原子的束缚,从而固定金属原子。单原子催化剂（SACs）的概念在2011年首次被张涛院士等人提出,此后,SACs在催化领域得以迅速发展。到目前为止含缺陷空位的氮掺杂石墨烯已经在许多化学反应中作为固定过渡金属单原子的衬底,用来合成SACs。近几年,双原子催化剂（DACs）因其较高的金属负载量、更多的金属活性位点和独特的反应活性而受到人们越来越多的关注。同时双原子还可以发生协同作用,进一步调节活性位点的几何构型和电子结构。如今原子级分散的负载型催化剂因其高催化活性、选择性和原子利用率已经成为了研究热点。本文以含缺陷空位的氮掺杂石墨烯作为衬底,基于密度泛函理论计算的方法,系统的研究了24种过渡金属元素在不同的原子浓度下,金属原子在衬底上的几何分布,再分析其稳定性,最后筛选出潜在的析氢反应催化剂。第一章,简要概括了催化剂的重要性,单原子和双原子催化剂的研究进展,析氢反应进展,引出了本文对金属原子在单缺陷空位氮掺杂石墨烯上的探讨。第二章,介绍了基于密度泛函理论的第一性原理,电催化理论基础,以及我们研究体系的泛函选取、计算参数和模型搭建。第三章,根据我们搭建的模型进行密度泛函理论计算,得到理论模型的计算结果。主要从三方面来分析我们的理论研究:（a）几何构型;（b）稳定性;（c）析氢反应催化活性。（a）几何结构分析:对24种金属元素在单缺陷空位氮掺杂石墨烯（SVGN3）衬底上的稳定构型进行定性分析。（1）单原子在纯石墨烯衬底上时,13种元素（Ti,V,Fe,Co,Ni,Zr,Nb,Tc,Ru,Rh,Hf,Ta,Os）最优吸附在空穴位,7种元素（Cr,Mo,Pd,Ag,W,Ir,Pt）最优吸附在桥位,其余的元素（Mn,Cu,Re,Au）最优吸附在顶位。（2）单原子在SVGN3衬底上时,所有单原子都稳定吸附在单缺陷空位。（3）双原子（M1和M2）在SVGN3衬底上时,1种元素（W）的最优构型为:M1在两个氮原子之间的桥位,M2在第三个氮原子的顶位。剩下的23种元素中,M1都是位于SVGN3衬底的单缺陷空位:3种元素（Ti,Zr,Hf）中,M2位于衬底异侧的单缺陷空位;3种元素（Nb,V,Ta）中,M2位于氮原子顶位;2种元素（Rh,Pd）中,M2位于碳原子顶位;15种元素（Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Tc,Ru,Ag,Re,Os,Ir,Pt,Au）中,M2位于衬底同侧的单缺陷空位,并垂直于衬底。（b）稳定性分析:统计原子在衬底上的结合能,进一步对稳定构型进行稳定性分析。（1）对比单原子在纯石墨烯和SVGN3衬底上,对于每个周期的元素来说,同一主族元素的结合能变化趋势大致相似,另外所有单原子都会倾向于吸附在SVGN3衬底的单缺陷空位。（2）当金属原子数欠载时,7种元素（Mo,Tc,Re,Os,Ir,Pt,Au）在SVGN3衬底上有可能形成二聚体。（3）当金属原子数过载时,24种元素中M2都将更稳定地附着M1上,从而在单缺陷空位处形成二聚体。（c）析氢反应催化活性分析:通过H过电位筛选出潜在的单原子和双原子析氢反应催化剂,并对析氢反应催化剂进行Bader电荷分析。（1）在单原子体系中,Co,Ni,Pd基单原子催化剂可以作为潜在的析氢反应催化剂。（2）在双原子体系中,Re基双原子催化剂可以作为潜在的析氢反应催化剂。（3）析氢反应催化活性可以归因于附加原子调节了金属原子上的电荷转移。第四章,本文不仅加深了对SACs在含单缺陷空位的氮掺杂石墨烯中的稳定性和活性的认识,而且以SACs为基础,为设计高效的DACs提供了新的策略,同时也为后续的研究奠定了一定的基础。