氢气是二十一世纪最有希望替代化石能源的一种新型能源燃料,被誉为清洁、无公害的可再生能源。然而,氢能源商业化的应用过程中遇到的最大难题之一就是如何安全、有效、经济的储氢,因此探寻新型的具有高容量储氢能力和良好的吸放氢动力学性能的储氢材料是极其必要的。碳基纳米结构以其具有轻质量和大比表面积的特点受到关注。研究者们发现使用金属原子对纳米结构的表面进行修饰,包括过渡金属元素、碱金属元素或碱土金属元素都可以显著地提高纳米结构的化学活性,从而提高储氢量。本文提出了几种金属修饰纳米结构的新型储氢材料的理论模型,并利用第一性原理的方法对这些材料的储氢能力、储氢结构及储氢机理进行研究和预测,同时还研究了外加电场对Ti吸附石墨烯复合结构的储氢性能的影响以及过渡金属Ti的吸附机理。我们的结论对设计和研制高效的储氢材料提供了新颖可靠的理论依据,主要的结论如下：1.Ti修饰的B2C片的储氢研究：我们首次提出了Ti修饰单层二维B2C纳米平面结构(B2C片)作为储氢材料的设想,并利用第一性原理的方法系统地研究了Ti@B2C复合结构的储氢性能。发现由于Ti与B2C片之间的强杂化作用使得Ti原子能够均匀地分布在B2C片的表面,且每个Ti原子最多能捕获4个H2。H2的吸附能在-0.36eV～-0.82eV之间,表明该体系非常适宜在室温下存储氢气。另外,我们计算了B2C片双面覆盖Ti原子时,Ti@B2C复合结构的储氢量可以达到7.0wt%,已经超过了美国能源署2010年期望达到6.0wt%的储氢目标。通过进一步分析Ti@B2C复合结构的分波态密度图(PDOS)和电荷差分密度图,发现H2是通过在Ti原子产生的电场中发生极化而被吸附在Ti原子上的,它们之间主要是静电库伦相互作用。PDOS图显示当被吸附H2的数目多于两个时,氢分子之间会发生相互作用形成所谓的超分子结构,这种超氢分子结构的形成也进一步降低了氢气的吸附能。2.金属修饰的石墨炔的储氢研究：为了提高储氢量,我们选用了具有较大孔洞面积的石墨炔作为基底材料,分别使用Li、Ca、Sc、Ti金属原子对石墨炔功能化,系统地研究了这些复合结构的储氢性能。结果表明,这些金属原子都被稳定地吸附在石墨炔的相同位置,即三角碳环中心的正上方,而且它们都可以单独地以原子形态分布在石墨炔的表面,而不是团聚在一起形成团簇结构。如果石墨炔双面都吸附有金属原子,结果表明Li、Ca、Sc、Ti修饰的石墨炔的储氢量分别可以高达18.6wt%,10.5wt%,9.9wt%,9.5wt%.所有被吸附的氢分子均保持分子态,且平均吸附能在-0.26eV/H2～-0.54eV/H2之间,说明金属修饰的石墨炔复合结构是一种可以在室温下吸氢／脱氢的良好的储氢材料。通过分析这些复合结构的电荷转移情况,将储氢机理主要归结为三个方面：(1)氢分子在金属原子形成的电场中的极化作用；(2)金属原子与氢分子之间的弱杂化作用；(3)氢分子之间发生相互作用形成超氢分子结构。3.外加电场下Ti修饰的石墨烯的储氢研究：我们首次提出了引入外加电场来增强体系的储氢能力的方法。通过对Ti修饰的石墨烯复合结构施加一个垂直于石墨烯方向的电场,利用第一性原理的方法详细地研究了该外加电场对Ti原子在石墨烯上的分布以及对Ti@graphene复合结构的储氢性能的影响。发现当施加负向电场大于-0.006au时,Ti原子可以以原子形态独立地分布在石墨烯的表面,而不是形成团簇。通过进一步分析发现,由于外加电场的作用使得Ti原子和碳环之间的电荷转移发生了变化,从而加强了Ti与碳环之间的相互作用,阻止了Ti原子团聚在一起。另外,我们发现外加电场还可以对Ti@graphene复合结构储氢时H2的吸附能进行调控,从而提供了一种有效控制吸氢／脱氢的手段。研究表明H：吸附能的改变主要是由于在外加电场中H：吸附机制的改变：从静电库伦吸附转变为由Ti原子电荷重新分布导致的杂化吸附,以及在电场中氢分子吸附构型的改变。最后我们发现当电场大于-0.01au时在Ti原子的上方可以多吸附一个H2,从而提高了Ti@graphene复合结构的储氢能力。