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随着全球经济的高速发展，人类面临着化石燃料资源日趋匮乏和生态环境恶化的双重压力，因此开发绿色新能源意义重大。氢能作为一种清洁、高效和安全的新能源受到了广泛关注。氢气由于其质量轻，无污染的特点，被认为是许多能量转换装置的理想燃料。氢也可以直接作为燃料电池的燃料应用于交通运输。然而，实现氢能在汽车领域上的实际应用，仍需面临着寻求安全，高效并且稳定的储氢介质的挑战。研制高性能的储氢材料是发展氢能的技术关键。高储氢容量、低成本的金属掺杂纳米结构材料被认为是最具有应用前景的固态储氢材料之一。近年来，碳纳米管（CNT）和氮化硼纳米管（BNNT）作为储氢介质已经引起了广泛的关注。碳纳米管因其独特的结构成为一种极具潜力的新型储氢材料，广大科研工作者对其开展了大量研究来了解其储氢性能。BNNT具有很多类似于甚至优于CNT的性质。然而，相对于CNT，BNNT的研究工作相对较少。由于纯纳米结构材料仅靠弱的物理吸附作用储氢，不能满足美国能源部（DOE）设定的实用要求。而金属掺杂方法可以有效提高纳米管的表面化学活性从而增强氢分子的吸附能力。纳米管通过表面修饰使其具有优异的储氢性能，在新能源领域中的储氢介质应用上具有巨大的潜力。鉴于稀土元素（RE）原子的结构特殊、内层4f轨道上未成对电子多、电子能级较为丰富，所以选择稀土元素中的铕和铈对纳米材料进行在掺杂改性，实现提高纳米材料储氢性能的要求。随着计算机模拟技术的发展，计算能力也越来越强，目前已成为实验研究的有力补充，在各个领域都发挥着不可替代的作用。在原子层面研究纳米材料的各种性能上，使用第一原理计算越来越突显其优势，它可以深入探讨原子结构和电子结构对其性能的影响。基于以上考虑。本文在对国内外纳米结构储氢材料研究现状的基础上，选择RE掺杂纳米结构材料作为研究对象。通过氢分子在RE掺杂的CNT和BNNT表面吸附的第一原理计算，应用Mulliken电荷布局和电子态密度等分析手段系统地研究了氢吸附前后稀土原子周围局域结构的变化，进而了解吸附过程，并推断其储氢机理。此外，由于金属Pt常被用来作为燃料电池电极催化剂。但使用Pt作为催化剂存在一个问题，即燃料（H2）中很少的CO就可以使Pt金属表面中毒。许多研究尝试通过第二种金属与Pt合金化来解决这个问题。本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一原理模拟方法，研究了稀土元素表面掺杂对Pt催化剂的CO氧化活性和抗CO毒化能力的影响。本论文主要内容如下四部分：首先，研究了H2和Eu掺杂单壁碳纳米管（SWCNT）之间的相互作用。对于Eu/CNT体系，其外表面的六元环中心位是最优吸附位。电荷分析结果表明，Eu的两个6s轨道电子转移到CNT上，但其4f轨道上电子不发生转移仍然在Eu上，因此Eu为正二价。研究发现在Eu/CNT体系中每个Eu原子可以吸附5个氢分子，并且在Eu3/CNT体系中储氢量可以达到4.44wt.%。H2和Eu/CNT体系之间的相互作用是通过电子杂化和静电作用来调节的。其次，研究了氢分子在Ce掺杂单壁碳纳米管和石墨烯体系中的吸附情况。发现Ce会优先占据外表面的六元环中心空位。研究结果表明，Ce/CNT体系是一种优良的储氢材料，其每个Ce可以吸附6个H2分子，并且Ce3/CNT体系可以储存质量分数为5.14wt.%的氢气。对于金属掺杂SWCNT体系而言，根据吸附能和储存量的大小，Ce掺杂具有最好的储氢性能。Ce的4f和5d轨道与H的轨道发生杂化是导致氢气吸附的主要原因，而Ce由于其不稳定的4f状态将参与轨道杂化。纳米管的曲率会影响Ce与C的结合强度以及H2在Ce上的吸附能。第三，应用密度泛函理论研究了氢分子在Ce掺杂BNNT上的吸附情况。对于Ce/BNNT体系，发现Ce优先占据氮化硼六元环中心空位。结果表明，在Ce3/BNNT体系中，每个Ce可以吸附七个氢分子，其储氢量可以达到5.68wt.%。氢气分子的吸附源于Ce的5d轨道与H的1s轨道的杂化以及H2分子的极化作用。由于Ce原子与BNNT结合能力较强抑制了Ce原子的团聚，并且BNNT要优于CNT作为储氢材料基底可归因为异质性结构的存在。最后，研究了Ce掺入Pt（111）表面上的CO氧化反应。CO在Pt（111）和Ce/Pt（111）表面上吸附时，其最稳定吸附位都是Pt原子顶位。而CO在两种表面上的吸附能存在差别，如Pt（111）> Ce/Pt（111）。比较CO在两种表面上氧化反应的活化能可知，反应在Ce/Pt（111）表面上更容易进行。稀土元素的电子效应削弱了CO在催化剂表面上的吸附强度，从而提高了稀土掺杂催化剂的CO氧化活性和抗CO毒化的能力。当CO吸附在O2/Pt（111）面上时，O2在催化剂表面上能够分解成O原子，为CO在表面上反应按机理CO+O→CO2进行时提供了O原子，是整个反应的速控步。O2分解反应在Ce/Pt（111）表面比在纯Pt表面上更容易进行。Ce的掺杂明显提高了Pt催化剂对CO的氧化反应速率。因此，Ce/Pt（111）是一个很有应用前景的CO氧化催化剂。总之，本研究不仅有助于丰富人们对于稀土金属掺杂纳米结构材料的储氢过程及其机理的认识，为该种材料未来的实际应用奠定一定的理论基础。而且还为抗CO中毒的Pt合金催化剂开发提供有益的信息和积极的指导。在基础科学和纳米技术应用方面有着重要的研究价值。