本论文以分子力场为核心,研究计算化学方法在固体微介孔材料中的应用,着力于气体的吸附、扩散和催化转化过程。本工作中涉及到的微孔-介孔材料为沸石、金属有机架构材料（Metal Organic Frameworks, MOFs）和共价有机架构材料（Covalent Organic Frameworks, COFs）。使用的计算方法有量子化学从头计算方法（包括DFT和MP2方法）、量子力学/分子力学即QM/MM组合方法以及巨正则系综蒙特卡罗方法即GCMC方法。研究的课题包括沸石催化1-丁烯制备丙烯和乙烯、GCMC方法探索如何提高COFs材料储氢性能以及IRMOFs晶体系列柔性力场即完全自由度全原子力场的开发与应用。这些研究工作包括如下一些结果和结论:1.首先使用两层的ONIOM方法中的QM/MM组合方案研究了沸石催化1-丁烯制备丙烯和乙烯的过程。研究提出了两种反应机理,直接裂解和聚合裂解。计算结果表明,直接裂解是吸热的,而聚合裂解是放热的,这就说明聚合裂解在两种沸石上更容易进行。通过对两种沸石上聚合裂解机理决速步骤的活化能进行分析发现,HZSM-5沸石的活化能更低,反应更容易发生,更有催化活性。这些都与实验的发现相一致,并解释了实验的结果。而导致这些结果发生的主要原因则是HZSM-5的孔径较小,与孔洞中的有机分子之间相互作用较强,稳定化作用强,从而过渡态更稳定,活化能更低。2.在储氢材料的量子化学研究中,我们考察了H₂分子与Cn_HnN_5-n-和Cn_HnN_5-n-Li体系的相互作用,这主要是考虑到离子型的Li比原子型的Li与材料底物的相互作用能更强,从而更加稳定,实验上更容易操作。这部分工作中分析了H₂分子与Cn_HnN_5-n-和Cn_HnN_5-n-Li的相互作用及其结合能,通过NPA分析发现了这种相互作用可以归结为电荷-四极矩与电荷-诱导偶极相互作用。同时发现了H₂分子的最大吸附数目规律:对CmHmNn- [n = 1-5]阴离子,（2n+2）个H₂能够被吸附,此处n代表环上N原子的个数。每个N原子可以吸附两个H₂分子,环上下两侧也可以吸附两个H₂分子。对Li离子而言,能够吸附的最大H₂数目略微复杂一些:如果Li离子与一个N原子配位,那么这个数目是5;如果与两个N原子配位,最大吸附数为4;如果Li离子处于芳香环的上下两侧,即vertical构型,最大吸附数目为3,更多的H₂分子吸附将导致平面构型。这些量化数据为后面的力场拟合提供了必须的数据来源。3.本论文还用GCMC方法研究了如何掺杂Li离子以提高COF材料的储氢性能,方法是向COF材料中引入CHN4-Li基团,得到的晶体称为PAF-4。通过拟合第一性原理的量子化学数据,得到了能够描述H₂分子与CHN4-Li相互作用的力场参数,基于得到的第一性原理分子力场,使用GCMC方法预测了掺杂了Li离子的COF材料的储氢性能。结果表明:77 K,10 MPa下,PAF-4晶体的重量和体积储氢能力为20.68 wt%和68.61 g/L,吸附热在接近零负载情况是14.54 kJ/mol。在233 K,10 MPa时,重量储氢能力为5.08 wt%,这个值已经超过了2010年美国DOE的最低标准。4.最后是MOF-5和IRMOFs晶体系列完全自由度全原子力场的开发和应用,使用的函数形式是TEAM力场形式。通过计算晶体热膨胀系数、晶体形变的体积模量和杨氏模量、苯分子在晶体中的扩散系数和扩散能垒、晶体中原子的振动光谱等性质,得到了与文献非常接近的结果,验证了计算方法。在此基础上,我们开发了MOF-5晶体的TEAM力场,该力场能够合理地预测前面提到的这些性质,与文献中其他力场如CVFF,MM3,DREIDING力场的计算值一致,并且有所改善。由此我们将MOF-5的力场推广,开发IRMOFs晶体系列的完全自由度力场,虽然只是初步工作,但该力场已经能够较好地预测多种晶体的晶格常数,并与实验值较为一致。