甲烷含氢量很大,可用于高效产氢,为工业生产提供清洁的氢能源；另一方面,甲烷完全裂解后剩余的碳又能够为制备具有潜在应用价值的新型碳材料提供碳源。而且可用于高效产氢,为工业生产提供清洁氢能源。因此,甲烷的催化裂解技术成为了当前工业催化技术中的研究热点,设计高效的催化剂以及揭示其催化反应机理对提高甲烷的裂解效率有重要的意义。在众多甲烷裂解催化剂中,Ni催化剂具有和贵金属相媲美的活性,并且储量丰富,价格低廉,成为工业应用和实验研究工作的重点。但是,在甲烷裂解反应过程中,Ni催化剂容易因积碳而失去活性。利用载体负载的方法,可以有效地降低Ni催化剂在甲烷裂解反应中的失活,其中,尖晶石基MgAl2O4材料具有稳定、耐高温等特点可作为优异的催化剂载体。为了进一步增强Ni催化剂稳定性,提高其催化活性,有必要从微观角度深入理解催化剂与载体的作用机制,在此基础上,揭示了甲烷在Ni/MgAl2O4催化体系中的裂解反应机理,为实验中高效催化剂体系的设计和制备提供理论指导。本论文基于密度泛函理论,针对甲烷在Ni/MgAl2O4催化剂体系的吸附与分解反应,开展了系统的理论研究,揭示催化剂与载体间相互作用机制,从热力学与动力学的角度阐明了甲烷分子在催化剂表面上的吸附以及逐步分解反应历程,解释了甲烷-Ni催化剂.MgAl2O4载体之间的相互作用关系及其对催化反应的影响。主要研究内容及结果如下：第一章绪论阐述本论文的研究背景和意义。首先介绍甲烷催化裂解反应的发展历程和研究进展,然后详细概述反应所需催化剂,指出不同催化剂的优缺点；最后提出本论文研究思路,并阐明选题意义。第二章介绍量子化学理论的发展历史,并阐述密度泛函基本理论(DFT)及其发展,以寻找合适的交换相关能量泛函为主线,详细介绍了局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)和自洽场计算流程。在此基础上,我们介绍了本论文计算的CASTEP量化计算软件包。在第三章中,我们采用密度泛函理论研究了MgAl2O4 (100)、(110)和(111)表面上Ni催化剂团簇结构,在此基础上,对甲烷分子初步解离反应CH4→CH3+H应进行了细致地研究。研究结果表明：(1)、Ni团簇与MgAl2O4表面作用存在晶面依赖关系,三个晶面的暴露原子及其排布能够极大地影响Ni团簇的作用形态,Ni与表面突出原子结合提高负载稳定性,相比于(100)和(110)表面,(111)表面Mg、Al和O原子均与团簇-载体发生相互作用,使得该表面负载Ni4团簇最稳定。(2)、CH4分子在Ni4/MgAl2O4表面吸附和解离反应受到晶面结构和活性位点的影响,顶点吸附中催化剂Ni4作为主要活性位点促进CH4分子吸附,界面吸附中,(100)和(111)表面金属原子高效参与分子吸附提高了吸附稳定性,(110)表面Mg原子被周围氧原子包围并对分子吸附产生位阻效应降低吸附稳定性。对比不同表面不同位点的反应势垒,发现CH4分子在(100)催化剂表面反应克服较低的能垒,从而为实验上制备高活性表面的催化剂提供理论指导。在第三章的工作基础上,我们在第四章中研究了甲烷分子在Ni负载的MgAl2O4 (100)表面的多步脱氢反应,对比分析完美和缺陷表面上的反应历程,探究甲烷逐步裂解反应在能量和动力学上的变化规律,揭示表面催化反应的微观反应机理。首先是吸附能量的变化规律,随着CH4分子的逐步解离,CHx分子在Ni4/MgAl2O4表面的吸附能逐渐提高,C原子的吸附能达到最高,CH4、CH3和CH2分子在完美表面吸附稳定性好,CH和C在缺陷表面吸附稳定性好。其次是吸附能垒的变化规律,CH4和CH3分子在完美表面的解离反应克服较低活化能,而CH2和CH分子在缺陷表面的反应势垒较低。因此,完美表面能够有效的活化甲烷分子,保证反应的进行；而载体表面缺陷态的存在能够降低CH→C+H反应势垒,有利于碳材料的合成。基于计算结果,我们提出了分别与产氢和制备碳纳米材料相关的不同反应路径,从微观角度为实验方案的设计提供了理论指导。第五章总结了本论文的主要结论和创新点,并对今后拟开展的工作进行了展望。