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质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高能量密度、运行温度低和稳定性能好等优点,在航天领域、潜艇、电动车、飞船等领域具有广泛的应用前景,但由于催化材料价格昂贵,制约其商品化,本文在系统合金科学理论（SSA）框架的指导下,运用纯单质系统理论系统研究了金属Pt、Ru和Pd的的电子结构,物理性质和热力学性质随温度的变化,和特征晶体理论对Pt-Ru合金系进行了系统研究,为电催化剂在SSA框架指导下设计提供完整的数据资料。本文主要对金属Pt、Ru和Pd和Pt-Ru合金系进行了以下几个方面的研究:（1）以MATLAB（MATrix LABoratory）为工具,对单原子状态自洽法的算法进行研究;（2）应用纯单质系统理论中的单原子（OA）方法和能带理论中单电子（OE）方法,即第一原理（FP）方法分别计算了金属Pt、Ru和Pd的fcc,hcp,bcc和liquid初态特征晶体电子结构,并相互进行比较,分析金属Pt、Ru和Pd的电子结构与晶体结构的关系,及金属Pt的电子结构与电阻率和化学活性的关系;（3）应用纯单质系统理论,计算了金属Pt、Ru和Pd的物理性质和热力学性质随温度的变化,得到OK至熔点Tm的温度范围内纯金属单质的完整信息,并与SGTE数据库的结果、FP方法的计算结果及JANAF实验数据进行了比较;（4）应用特征晶体理论对Pt-Ru合金系进行系统分析,选择Pt-Ru合金系的体积和能量相互作用方程,确定Pt-Ru合金系的特征原子序列和特征晶体序列的基本信息;（5）开拓系统合金科学框架应用于催化材料设计,揭示电催化剂的电子结构与催化活性的关系,并对其进行结构表征,为电催化剂的设计指明了方向;（6）应用特征原子排列设计和特征晶体相加定律研究了Pt-Ru合金催化剂的催化性能和稳定性,并拟定其成分的配比方案;（7）以金属Ni为例,阐明OA方法与FP方法的差异,并探讨金属Ni,Pd,Pt的电子结构与物理性质的差异的原因。本文着重研究了电子结构—晶体结构—物理性质和热力学性质及催化性能之间的内在联系,取得了以下几个方面的创新成果:（1）运用数值功能运算极强的MATLAB为工具,能快速、准确地确定金属晶体的电子结构,进一步完善了单原子状态自洽法;（2）用OA方法和FP方法分别计算了金属Pt、Ru和Pd的fcc,hcp,bcc和liquid态的电子结构,并相互进行了比较,金属Pt的计算结果符合较好,而金属Ru、Pd的结果相差较大;分析了金属Pt、Ru和Pd的电子结构与晶体结构的关系,及金属Pt的电子结构与电阻率和化学活性的关系,由于sf电子最少,所以电阻率最大,也是化学活性最低的原因;（3）计算了金属Pt、Ru和Pd从OK到熔点温度Tm的物理性质（包括势能曲线、热膨胀系数、体弹性模量、晶格振动能、晶格常数和单键半径）,和热力学性质（包括恒容和恒压比热、熵、焓和Gibbs能等）,与FP方法计算结果、SGTE数据库和JANAF实验数据都符合较好。（4）应用特征晶体理论对Pt-Ru合金系进行系统分析,选择了第九方程为Pt-Ru合金系的体积和能量相互作用方程,确定了Pt-Ru合金系的特征原子序列和特征晶体序列的基本信息;（5）开拓了系统合金科学框架应用于催化材料的设计,近似地用体相的电子结构来代替表面Pt原子的电子结构,揭示了电子结构与催化活性的关系,主要是由于Pt原子聚合时,有0.5个d电子转化为s电子,增加了d空穴,对催化活性有利;及FP方法计算的态密度和能带结构解释了催化活性,并与XRD表征的结果一致;合金元素的加入,增加了Pt的d空穴,晶格常数也随之减小,对催化活性有利,为电催化剂的设计指明了方向;（6）应用特征原子排列设计和特征晶体相加定律研究了Pt-Ru合金催化剂的催化活性、稳定性及成分配比,计算了Pt-Ru有序合金中Pt和Ru原子个数之比分别为3:1,1:1和1:3的势能和晶格常数,并分析了组元Pt的组态变化,即ψ4Pt→ψ8Pt→ψ12Pt;计算了无序合金的性质和组元Pt的电子结构,随着Ru含量的增加,势能降低,稳定性升高,晶格常数减小,Pt的d带空穴增加,使催化活性增强,但随着Ru含量超过50%后,d空穴增加得非常缓慢,催化活性增加不大。综合考虑稳定性、d空穴增加的快慢、成本及抗CO的能力,确定Pt-Ru合金催化剂成分的最佳配比约为1:1;（7）以金属Ni为例,阐明了OA方法与FP方法的差异,并探讨了金属Ni,Pd,Pt的电子结构与物理性质的差异,除了电子结构的影响外,还有4f电子的屏蔽作用。