自2004年石墨烯被发现以来，其独特的几何结构和优异的物理化学性质引起了研究者的广泛关注。近来大量研究表明，石墨烯具有较高的比表面积和独特的孔隙结构，可以与金属纳米颗粒复合来制备新型高性能碳基气体存储材料、生物传感器、化工催化剂等。但是，由于石墨烯、金属纳米团簇的尺度非常小，从实验角度对其进行分析和表征存在一定难度。所以，使用分子模拟技术来研究石墨烯/金属纳米粒子复合材料的结构和性能具有独特的优势。本文拟采用第一性原理模拟的方法来研究不同气体分子在金属掺杂石墨烯表面的吸附，揭示其内在的相互作用机理，该研究可以为制备新型气体存储材料和高性能催化剂材料提供必要的理论指导。首先，使用基于密度泛函理论的dmol3量化模拟软件，我们研究了O2分子对金属掺杂石墨烯储氢过程的影响。研究表明，对于Ti吸附掺杂的石墨烯，O2分子对H2分子在其表面的吸附影响很大，O2可以通过占据基底材料表面的吸附位来阻断H2的吸附。与只考虑H2吸附的体系相比，在O2的作用下，H2与上述基底材料的平均吸附能E H2降低了2/3左右。而且，共吸附条件下，每个Ti金属原子只能吸附2个H2分子，理论质量储氢密度只有1.82%，无法满足高性能储氢材料的要求。对于Li吸附掺杂的石墨烯体系，虽然O2的引入也会影响H2在其表面的最稳定吸附构型，但是与Ti掺杂石墨烯不同的是，O2的引入并未造成吸附能的降低，甚至还在一定程度上促进了H2与Li掺杂石墨烯的相互作用。共吸附条件下，每个Li金属原子仍可吸附4个H2分子，对应的吸附能约为0.2eV，理论质量储氢密度7%，仍可作为高性能储氢材料。所以我们的研究结果表明，在储氢材料的实验和理论模拟研究过程中，需要考虑其他竞争性气体如O2对整个储氢过程的影响。然后，我们研究了外加电场对O2分子在Au替位掺杂石墨烯表面吸附的影响。外加负向电场，O2分子与基底材料的相互作用增强。与未加电场的体系相比，在-1.5V/的电场作用下，体系的吸附能E ad增加了将近90%，而在正向电场的作用下，则缓慢减少了30%左右。从―内建电场‖和―外加电场‖的角度来分析解释上述趋势：O2分子吸附到基底材料表面后，电子从基底材料流向被吸附的O2分子，内建电场垂直石墨烯向下，负向电场的方向与内建电场的方向一致，所以促进了两者间的相互作用，正向电场的作用则恰好相反。其次，被吸附O2分子的键长dO O也会随着的变化而变化，-1.5V/电场下，伸长到1.47左右，而在1.5V/电场的作用下，缩短了0.06，由于dO O越大，打开O-O键所需要的能量就越小，基底材料的催化性能可能越好，所以我们认为可以采用外加电场的方法来调制体系的催化性能和相关催化反应的进程。本文采用第一性原理模拟得到的结论加深了我们关于气体分子与金属掺杂石墨烯相互作用机制的认识和理解。与此同时，使用计算机模拟的方法可以明显缩短研究周期，降低所需研究成本，所以上述研究可以为制备高性能气体存储材料、设计新型化工催化剂材料等提供了必要的理论指导。