能源危机和环境污染日益严重。近几年PM 2.5超标、雾霾频繁等问题危害着人们的身心健康的同时对生活也造成了诸多不便。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将燃料的化学能转化为电能并生成水的清洁能源装置。其传统的阴极催化剂是Pt纳米微粒在碳黑上（Pt/C）。但是碳黑在苛刻的电化学反应环境中容易被腐蚀,Pt不稳定且易一氧化碳（CO）中毒而失活,而且Pt储量稀缺、价格昂贵,这些问题都限制了PEMFC的推广使用。因此我们期望寻找一种高效廉价的催化剂来代替传统的Pt/C催化剂。通过对载体以及负载金属的优化设计,以过渡金属碳化物（TMCs）为载体的负载型纳米体系有望达到这个目的,本文以碳化钽（TaC）为研究对象进行了其催化性能的系统研究。氧还原和CO氧化是燃料电池的研究热点,我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,首先研究了贵金属铂和钯单层和四个原子小团簇在纯净的TaC（100）表面吸附的稳定性,分析了负载金属与表面间的相互作用及电子结构;计算了氧气分子在不同的四个复合体系构型上的吸附和解离,并与纯净的TaC（100）表面以及Pt（111）比较,发现Pd_ML/TaC具有较高的稳定性和氧分子解离催化活性。氧解离也是CO氧化的第一步,因此我们还进一步探究了CO在Pd_ML/TaC上的吸附和氧化过程,分析验证Pd_ML/TaC体系的CO氧化机理和抗CO中毒能力。主要研究内容及结果如下:1.研究了TaC（100）负载Pd和Pt的单层（ML）及四个原子小团簇对氧分子解离的催化活性。差分电荷密度图和Mulliken电荷分析表明负载的贵金属和表面间存在着明显的电荷转移,两者之间存在着相互作用。计算得到Pd在TaC（100）上的结合能大于Pd块体的内聚能,表明Pd在TaC表面的二维构型比较稳定。对比纯净的TaC（100）与负载贵金属的复合体系的态密度发现,在费米能级附近,Pd_ML/TaC体系态密度是最高的,意味着其较高的活性。氧分子在纯净表面和复合体系的吸附能以及解离吸附能的结果显示,负载贵金属后TaC（100）表面的抗氧化能力得到了提高,结构较为稳定。最后我们通过过渡态搜索发现:Pd_ML/TaC（100）上氧分子的解离势垒相比于其他三种复合体系以及Pt（111）都是最小的。综上结果表明Pd_ML/TaC具有较高的催化氧分子解离活性和抗氧化性。2.研究了Pd_ML/TaC表面催化一氧化碳氧化的机理。首先进行了CO氧化所涉及的小分子的吸附,找到其最稳定构型。计算发现CO₂吸附能（0.18 eV）极其低,表明CO₂在衬底表面很容易脱吸附,并且计算发现O₂和CO分子的吸附能很相近,O₂和CO单独吸附能之和与两者的共吸附能也几乎相等。因此我们接下来考虑了Langmuir-Hinshelwood（LH）,Eley–Rideal（ER）,和三分子反应（TER）三种反应机理。最后过渡态分析结果显示CO氧化更倾向于ER机理,此时速控步下反应势垒、反应热和反应势垒分别为0.48 eV、-4.62 eV、0.13 eV。分析结果表明Pd_ML/TaC对CO氧化催化能力和抗CO中毒能力较强。综上分析我们猜测Pd _ML/TaC有望成为PEMFC中传统Pt基催化剂的替代品。