随着计算方法的不断发展和计算机的飞速发展,第一性原理计算越来越多的应用到凝聚态物理、材料、化学等方面。因为水是地球上含量最丰富的化合物之一,而且水分子的影响几乎可以渗透到所有的领域,进一步理解水分子和固体表面的相互作用机理显得至关重要,尤其是在很多环境或能源相关的领域中。其中太阳能又是取之不尽的清洁能源之一,利用光催化分解水把太阳能转化为氢能是解决环境问题和能源危机最理想的途径之一,也具有重大的意义和潜在应用。因此水分子在固体催化剂表面的吸附与活化是备受人们关注的重要问题之一。二氧化钛由于其无毒性、良好的生物兼容性、化学稳定性和自清洁性等优点在解决能源问题以及环境污染治理等方面具有广泛的应用。石墨烯因为其比表面积高可以很好地分散金属纳米颗粒、导电性能好可以在催化反应中很好地传输电子,因此在光催化领域也得到了广泛的研究。本文采用第一性原理计算,系统地研究了钛原子吸附在二氧化钛(110)面和石墨烯表面对于水分子的活化与分解的影响,阐述了水分子的分解机理及其体系储氢的可能性；并进一步阐述了氮原子在石墨烯中掺杂在催化反应中所起的作用。我们的研究结果有助于从微观水平上理解反应机理。第一章,首先介绍了金红石型二氧化钛和石墨烯的结构、性质与制备方法,及一些研究进展,主要是水分子在它们表面的吸附与分解的研究进展。第二章,主要介绍了密度泛函理论的一些基础概念和框架,接下来介绍了常用的计算软件,以及文章中我们常用的一些分析方法。第三章,水分子在金红石型Ti02(110)表面的吸附与分解一直以来是研究的热点,但是钛吸附原子既可以看做是二氧化钛缺陷的一种,也可以看做是金属原子的修饰方式,却很少被研究过,因此我们主要研究了二氧化钛表面钛吸附原子对水分子的吸附与分解的影响。指出了钛原子的3d电子起着关键作用,而且电子的局域性并不会改变反应机理。第四章,接着上一章的研究,我们用钛原子修饰了石墨烯,从石墨烯本身的缺陷结构和钛原子修饰的方式两大方面研究了对于水分子吸附分解的影响。石墨烯表面的缺陷结构可以很好地稳定钛原子,钛原子在石墨烯表面的平面团簇构型活性非常高,水分子可以很容易地发生分解,甚至第二个水分子也可以自由分解。研究结果显示钛修饰的石墨烯在分解水产生氢气方面有巨大的潜在应用前景。然后进一步考察了石墨烯薄膜对于原子氢的穿透性,结果显示缺陷可以大大地降低氢原子的穿越能垒,而且缺陷的影响并不仅仅局限在缺陷位点本身,而是具有一定的影响范围,不同的缺陷影响也不同。第五章,结合实验对氮掺杂石墨烯作为钯催化剂的载体进行了研究。计算发现N原子的掺杂可以增强Pd在石墨烯表面的吸附能和Pd原子所带的电荷,氮掺杂石墨烯在一定程度上还可以保护C=O,提高反应的选择性,因此N原子在石墨烯中的掺杂可以提高负载Pd催化剂的分散程度和催化活性。计算结果很好地与实验吻合。另一方面N原子在石墨烯中的掺杂使得氢溢流的过程变得容易一些,即当作为储氢材料的时候,可以增强其储氢性能；在整个催化体系中氢原子的转移变得更容易,这样可能会使得肉桂醛分子的加氢更容易。