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传统能源材料,如煤炭、石油、天然气,在日常生活中发挥着重要的作用。不过随着社会的不断发展,人们对能源材料属性的要求越来越高,传统能源材料逐渐暴露其弊端和不足之处,主要体现在两方面:一方面是传统能源材料的能量密度有限,不能满足某些方面对高能量密度的需求,另一方面是传统能源材料在使用过程中会产生大量污染物,对生态环境产生破坏,因此人们渴望寻找新的能源材料来替代这些传统能源材料,以期解决传统能源材料能量密度低和环境污染等问题。聚合氮作为一种新兴的高能量密度材料引起了人们的广泛关注。聚合氮是指氮气（N2）在高压下发生解离形成的以氮氮单键键合的全新聚合结构,首先,聚合氮具有高能量密度的属性,其能量主要来源于氮氮三键与氮氮双键/单键之间巨大的键能差,其次,聚合氮的分解产物也只有氮气（N2）,对生态环境没有污染,因此聚合氮是一种环境友好型的高能量密度聚合材料。目前在理论上已经报道了大量性质优异的聚合氮结构,并且已有四种聚合氮结构（cg-N、LP-N、HLP-N和BP-N）被实验证实,这些研究成果极大鼓舞了人们对聚合氮结构的研究热情。目前聚合氮的应用仍然面临两个亟待解决的问题,一是聚合氮的合成条件极其苛刻:需要上百万大气压以及几千K的温度,二是目前合成的聚合氮只能稳定在高压条件下,因此降低聚合氮的合成条件并提高其结构的稳定性是目前聚合氮研究的热点问题。近几年的研究表明,通过向聚合氮结构中引进配位元素的方法可以大幅度降低聚合氮结构的合成压力,并且可以提高其结构的稳定性。引进配位元素的方法为聚合氮结构的温和可控制备及常压截获提供了一种有效解决途径。引入配位元素后形成的多氮聚合结构,其形成压力、稳定性与配位元素的电子价态息息相关,通常情况下,配位元素的电子价态越丰富,其形成的多氮聚合结构越多样化,越容易寻找到性质优异的多氮聚合结构,此外配位元素的电负性越低,与氮元素化合的时候越容易失去外层价电子,使得氮元素改变原来的轨道杂化方式,形成性质优异的多氮聚合结构。本论文选取电子价态丰富、电负性相对较低的过渡金属元素Cd、Mn、Sc作为配位元素,开展富氮化合物高压结构预测与性质的理论研究。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合粒子群优化算法对三种过渡金属氮化物体系进行了高压结构预测及性质的研究,主要结论如下:1、高压下Cd-N体系变组分结构预测及性质的研究利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合粒子群优化算法对Cd-N体系进行了高压变组分结构预测,得到了一系列结构新奇、性质优异的结构:四个高压稳定相结构（P4mbm-CdN2、Cmmm-CdN4、I（?）d-CdN4和C2/c-CdN5）以及一个亚稳相结构（C2/m-CdN6）。通过结构特征的分析,发现P4mbm-CdN2、Cmmm-CdN4、I（?）d-CdN4、C2/c-CdN5、C2/m-CdN6中的氮结构单元分别为双原子N2,标准扶手椅型氮链,S-型扶手椅氮链,Zigzag-antizigzag氮链以及N14网格层状结构。通过稳定性的分析,发现Cmmm-CdN4和C2/m-CdN6结构可以稳定至室温常压条件下,且由于较高的分解势垒,使得Cmmm-CdN4和C2/m-CdN6结构具有较高的分解温度（2000 K和400 K）。能量特性的分析表明Cmmm-CdN4、I（?）d-CdN4、C2/c-CdN5以及C2/m-CdN6具有较高的能量密度以及优异的爆压,爆速。电子结构特性的分析表明,所有预测结构均为金属相,聚合结构中的N-N键和Cd-N键分别以强的共价键和弱的离子键形式存在,Cd-N之间的电荷转移对结构的稳定性起到了至关重要的作用。2、Mn-N体系高压新相及性质预测研究利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合粒子群优化算法对Mn-N体系进行了高压变组分结构预测研究,提出了一系列结构新奇、性质优异的结构:两个高压稳定相结构（C2/m-Mn N4和P （?）-Mn N4）以及四个亚稳相结构（P4/mmm-Mn N4、P （?）-Mn N5、C2/m-Mn N6和P （?）-Mn N8）。通过结构特征的分析,发现C2/m-Mn N4、P （?）-Mn N4、P4/mmm-Mn N4、P （?）-Mn N5、C2/m-Mn N6和P （?）-Mn N8结构中的氮结构单元分别为双原子N2、标准扶手椅型氮链、N4环、N22环层状结构、S-型氮链、扶手椅型氮链,其中N4环和N22环层状结构是首次报道的新型聚合氮结构。通过结构机械性质的分析发现,所有预测结构均为泊松比较小的塑性材料,其中P4/mmm-Mn N4是结构中塑性最强的超硬相结构。稳定性的分析表明,P （?）-Mn N4和P （?）-Mn N5结构可以稳定至室温常压条件下,且P （?）-Mn N4和P （?）-Mn N5结构具有较高的分解温度（2000 K、3000 K）,其主要来源于其结构较大的分解势垒。能量性质的分析表明,预测结构具有较高的能量密度以及优异的爆压,爆速。电子结构性质的分析表明,预测结构均为金属相,结构中氮氮键（N-N）为强的共价键,锰氮键（Mn-N）为弱的离子键形式,锰氮元素间的电荷转移对聚合结构的稳定性起到了至关重要的作用。磁学性质的分析表明,C2/m-Mn N4、P （?）-Mn N4和P （?）-Mn N5是铁磁材料,而P4/mmm-Mn N4、C2/m-Mn N6和P （?）-Mn N8是反铁磁材料。3、高压下富氮区间Sc-N体系变组分结构预测研究利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合粒子群优化算法对Sc-N体系进行了高压变组分结构预测研究,在富氮区间提出了一个结构独特、含能特性、爆炸特性优异的P （?）-Sc N8层状结构,该结构是由N层和Sc元素构成的三明治结构形式。P （?）-Sc N8结构为金属相,结构中的N-N键和Sc-N键分别为强的共价键和弱的离子键。P （?）-Sc N8结构的能量密度为7.53 kJ/g,远高于TNT的能量密度（4.3 kJ/g）,爆压优于TNT,爆速值（22.63 Km/s）是TNT（6.9 Km/s）的3倍多。