二氧化碳（CO₂）大量排放造成的温室效应对气候和环境带来了巨大的威胁,而碳俘获和封存（carbon capture and storage,CCS）技术因其巨大的减排潜力和经济性成为目前缓解温室气体过度排放的有效途径之一。目前低效的吸附材料仍是制约CCS技术中CO₂捕获与分离发展的主要瓶颈之一,因此,设计和开发新型吸附材料以提高CO₂捕获与分离效率、降低成本、提升稳定性能等是目前CCS研究的重要内容和任务之一,具有重要的科学价值及现实意义。碳质多孔材料因其易于合成和制备、质量轻、再生能耗低及价格低廉等优点而被广泛用于CCS技术;与碳吸附材料类似的氮化硼（BN）纳米多孔材料由于其高熔点、高导热性、高耐氧化、低密度、化学惰性、优异的力学性能和强极性等特点展现出潜在的CCS应用材料性能。本论文采用密度泛函理论（DFT）和巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法,探索了拓扑结构设计、化学掺杂以及化学功能化效应对单组分和二元混合气体CO₂/CH₄、CO₂/N₂在多孔碳及氮化硼材料中吸附机理的影响。本论文的研究成果可为CCS探索过程中吸附剂材料的设计、CO₂捕获及分离条件的选择提供先期的理论预测与科学依据。采用DFT和GCMC理论模拟方法,研究边缘功能化效应对二元混合气体CO₂/N₂在纳米多孔碳（NPCs）中竞争吸附行为的影响。研究结果表明:边缘功能化能够增强NPCs结构的吸附能力,对CO₂的吸附作用影响比N₂吸附影响更大,因而提升了CO₂的选择吸附比;边缘功能化能够扩展孔隙尺寸及增加可进入比表面积,这为气体吸附提供了更有利的环境;所选用的修饰功能团中原子局部电荷越高,电负性或正电性就越强,对CO₂的选择吸附比越有利;功能团修饰的NPC材料对CO₂/N₂的吸附热比不修饰的NPC吸附热高,表明其具有更强的吸附能力。本章的研究结果阐明了边缘功能化NPCs可作为一种优秀的碳俘获与分离材料用于CO₂/N₂的竞争吸附,同时也为CCS吸附剂材料性能的提高提供了一种设计和筛选思路。结合DFT和GCMC模拟方法研究金属锂掺杂对二元混合气体CO₂/CH₄在NPCs中竞争吸附行为的影响。研究结果表明:金属掺杂能够提高静电势,因此可显著地提高CO₂的吸附选择性,这种优化策略可应用于具有较大偶极矩和四极矩差异的混合组分气体的吸附与分离;Li修饰的纳米多孔碳NPCs材料能够构建适宜的孔隙体积及较好的可进入比表面积,为气体吸附提供了一个适宜的环境;修饰Li原子的数目对选择吸附具有较大的影响,且修饰Li原子数目越多选择吸附比越大;混合气体的比例对选择吸附比也有一定的影响,CO₂混合组分比例越高则选择吸附比越大。本章的研究结果突显了金属离子掺杂对于提升纳米多孔碳吸附材料中CO₂俘获与分离的重要性。采用DFT和GCMC相结合的方法系统研究了不同尺寸氮化硼（BN）纳米材料中CO₂和CH₄的单组分吸附及混合组分竞争吸附行为。研究结果表明:BN纳米材料可基于不同尺寸的纳米基片构建出具有适宜的孔隙体积及可进入比表面积的有利环境;由于吸附过程的放热特性,升高温度对CO₂和CH₄吸附性能及CO₂选择性都有不利的影响,但对选择吸附的静电贡献没有明显的影响;在低压条件下,随着压强的增加CO₂/CH₄选择吸附比急剧地下降随后趋于一个常数值,这与选择吸附过程中的静电贡献影响相一致。本章的研究成果不仅突显了BN纳米材料可作为一种优秀的CO₂俘获和分离材料,也为评估孔隙物理特性及静电相互作用协同效应的影响提供一种有效的途径。