Diese Dissertation konzentriert sich auf die Erforschung und Gestaltung neuer Elektrokatalysatoren; das theoretische Screening und die Etablierung neuer hocheffizienter Katalysatoren für elektrochemische Reaktionen auf 2D-Materialien basiert auf umfangreicher Forschungen, die einen neuen Weg für die Gestaltung der heterogenen Katalyse eröffnen und den Weg für die Entwicklung besserer elektrochemischer Energiespeicherung und -umwandlung ebnen. Das theoretische Screening konzentriert sich auf die Entwicklung selektiverer, stabilerer und katalytisch aktiverer Elektrokatalysatoren zu geringeren Kosten, um herkömmliche Katalysatoren zu ersetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein ausreichendes theoretisches Wissen darüber erforderlich, wie ein Katalysator funktioniert und arbeitet, einschließlich der aktiven Stellen, Reaktionsmechanismen und der erwarteten Produkte. Das ultimative Ziel ist ein ausreichendes Verständnis der signifikanten Einflussfaktoren, die die Leistung eines Katalysators bestimmen, die anhand der Bindungsenergie der Zwischenprodukte oder des D-Band-Zentrums als Deskriptoren bewertet werden können. Es ist jedoch äußerst schwierig, allein mit experimentellen Techniken detaillierte Informationen über Reaktionsmechanismen zu erhalten. Ein umfangreiches theoretisches Screening, das auf Ansätzen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basiert, wurde eingesetzt, um grundlegende Richtlinien für das Katalysatordesign zu erhalten. In dieser Arbeit werden die elektrokatalytischen Mechanismen einiger repräsentativer elektrochemischer Reaktionen als Beispiele herangezogen, um die gegenwärtige Situation in Bezug auf die Elektrokatalysatortechnologie umfassend zu analysieren, die für die Anwendung in Energiespeicher- und -umwandlungsgeräten verwendet werden soll, wie z. B. die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in Brennstoffzellen, die Kohlendioxidreduktion (CO2RR) bei der Abscheidung von CO2, die Stickstoffreduktion (NRR) bei der Stickstofffixierung und die Stickoxid (NO)-Reduktion von Ammoniak (NORR) auf zweidimensionalen (2D) Materialien. Theoretisches Screening wird genutzt, um das detaillierte Design des Elektrokatalysators zusammenzufassen. Das Verständnis von 2D-Materialien als Katalysatoren für die elektrochemische Katalyse kann aus verschiedenen Perspektiven erweitert werden, und die theoretische Screening-Methode bietet eine Anleitung für die weitere Entwicklung und Entdeckung hocheffizienter und kostengünstiger elektrochemischer Katalysatoren, die dabei helfen kann, den bevorzugten Mechanismuspfad zu bestätigen und den Kontrollschritt eines Reaktionssystems zu entwickeln. Um eine effiziente katalytische Aktivität für elektrochemische Reaktionen in vielversprechenden zukünftigen Katalysatoren zu erreichen, werden hochflexible aktive Stellen, ausreichende Aktivität, Selektivität und eine breite spezifische Oberfläche benötigt. Hier werden mehrere herausragende und neuartige 2D-Materialien als Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion betrachtet, darunter die Graphen-Familie, das metallorganische 2D-Gerüst M3 (2,3,6,7,10,11-Hexaiminotriphenylen)2 [M3 (HITP)2], 2D-Übergangsmetallcarbide und -carbonitride (MXene) und das neuartige 2D-Material MBenes, das auf Bor-Analoga von MXenen basiert. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese 2D-Materialien nach umfangreichen theoretischen Untersuchungen eine hohe Aktivität und Selektivität in elektrochemischen Reaktionen erreichen können. Die Familie der Graphen-Katalysatoren mit einem einzigen Übergangsmetall-Atom und Stickstoff-Koordination (MN 4) ist für ihre ausgezeichnete Aktivität, Selektivität und hohe atomare Effizienz in der Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR) bekannt. Systematische theoretische Untersuchungen haben bewiesen, dass die ORR unter sauren Bedingungen entlang eines vollständigen Vier-Elektronen-Transfer-Weges funktioniert, was darauf hindeutet, dass direkte Hydrierungswege gegenüber dem dissoziativen O2 -Mechanismus in der ORR bevorzugt werden. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass 2D metallorganische Gerüste M3 (HITP) 2 und 2D Übergangsmetallcarbide (MXene) eine hohe Aktivität und niedrige Überspannungen besitzen, wenn sie für die elektrochemische Kohlendioxid- Reduktionsreaktion (CO2 RR) verwendet werden. Wir haben Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen in Kombination mit der theoretischen Screening-Methode durchgeführt und festgestellt, dass sowohl 2D-MOF- als 7 auch MXene-Materialien vielversprechende Elektrokatalysatoren für die Reduktion von CO2 zur Herstellung von C1-Kohlenwasserstoffen sind. Schließlich haben 2D-Metallborid (MBene)-Katalysatoren ein signifikantes katalytisches Potenzial für die Elektroreduktion von CO2 zu CH4 ; MBene sind auch vielversprechend für die Anwendung in effizienten Elektrokatalysatoren mit hoher Aktivität und hoher Selektivität für die Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) und die Stickoxidreduktion (NORR). 2D-MBen-Katalysatoren haben ein niedriges Begrenzungspotenzial und ihre hohe Selektivität ist besonders wünschenswert, aber die Herausforderungen, die mit dem unzureichenden Verständnis des katalytischen Mechanismus verbunden sind, müssen bewältigt werden, wenn diese Materialien auf kommerzieller Basis eingesetzt werden sollen. MBen-Materialien sind ein attraktiver Elektroreduktionskatalysator, mit dem Ammoniak aus Stickstoffoxid (NO) in einem Prozess synthetisiert werden kann, der mit erneuerbaren Ressourcen wie Wind- und Sonnenenergie betrieben wird, um Stickstoffoxid zu Ammoniak zu reduzieren - ein effektiver Ansatz zur Lösung der Nitratverschmutzung. Eine vielversprechende Strategie ist die Nutzung des Haber-Bosch-Prozesses zur Synthese von Ammoniak unter Umgebungsbedingungen. Die Ammoniaksynthese hängt von der Fixierung des industriellen Stickstoffs ab und ist wichtig für die Synthese von Chemikalien und Düngemitteln, während die Entfernung von NO zur Lösung des Problems der Luftverschmutzung attraktiv und eine Herausforderung auf dem Gebiet der Elektrokatalyse ist. Die derzeitige Forschung konzentriert sich in der Regel auf diese Themen getrennt. Die direkte elektrochemische Reduktion von N2 zu NH3 wird jedoch nur selten erwähnt, und wir schlagen eine neue Art von Elektrokatalysator, Metallborid (MBene), als vielversprechenden Katalysatorkandidaten für die Erreichung der direkten Elektroreduktion von N2 zu NH3 vor. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es daher, ein neuartiges 2D-Material für den Einsatz als hocheffizienten Metallborid (MBene)-Elektrokatalysator zu evaluieren, der in der Lage ist, chemischen Stickstoff zu fixieren und NO zu entfernen und somit das Abgas zu reinigen. MBene sind auch eine praktikable Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren, das üblicherweise zur Herstellung von Ammoniak verwendet wird.