本论文围绕低维材料的化学活性及表面态性质，采用第一性原理及模型分析方法，以几个具体体系为例子，展示了对低维材料化学活性和表面态性质进行调控的一些手段，取得了以下创新性成果：　　 (1)小分子在过渡金属团簇上的吸附：ⅰ)CO在Scn(n=2-13)团簇上的吸附具有明显的尺寸依赖效应：团簇尺寸小于10时，吸附能随尺寸变化呈奇偶震荡，n=5、7和9对应着峰值，对应较高的化学活性。CO的吸附可以降低某些尺寸的Scn团簇的磁性，如SC13的磁矩从19μB降低到5μB。ⅱ)N2和NO在钒团簇Vn(n=2-13)上的吸附具有不同的尺寸依赖性质。前者对尺寸的依赖比后者强。在不同的钒团簇上，既有N2和NO的解离吸附又有分子吸附。同样的N2和NO的吸附会影响团簇的磁性，N2能使钒团簇磁矩减小或不变，而NO既可以使其减小也可以使其增大。　　 (2)氢与不同维度纳米材料的相互作用：ⅰ)金属修饰的Ca12B80和Sc12B80团簇具有优异的储氢性能，储氢质量百分比分别达到9.0wt.％和7.9wt.％。两个体系的储氢机理不同：Ca12B80主要通过电场极化作用吸附H2，而在Sc12B80体系中，Dewar-Kubas作用与电场极化作用均起了重要作用。在同一个体系存在两种不同吸附机制，在类似研究中尚属首次发现。ⅱ)结合第一性原理与力学模型，我们系统研究了如何通过选择性氢化控制单壁碳纳米管(SWNT)横截面形状。提出了一种不同于传统的通过塑性形变或屈曲方式减小应力的方法，发现通过将完全氢化的SWNT(FH-SWNTs)管内几排H翻到管外，可以使体系的弯曲应变能大大降低，从而控制SWNT横截面的形状(如三角形、四边形)。ⅲ)我们进一步研究了在二维金属量子薄膜中，改变薄膜厚度以及表面修饰对氢透过率的影响。发现受量子尺寸效应(quantum size effect，QSE)的影响，某些厚度的薄膜具有非常高的稳定性；同时，QSE还会影响薄膜对氢的化学活性，进而影响氢扩散过程的速率，在很大范围内调控穿过这些薄膜的H2流量。另外，在Pd量子膜的渗透侧覆盖一层与H作用较弱的Cu或Ag单分子膜会明显减小H在表面的化学吸附势阱深度且不引入其它更高能垒，从而使H2流量在500K左右时提高几个数量级。　　 (3)拓扑绝缘体异质结构中的近邻效应：我们研究了如何利用双向近邻效应精确调控拓扑绝缘体异质结构中拓扑表面态(Topological surface state，TSS)在垂直于薄膜方向上的空间位置。我们的计算表明，通过在拓扑绝缘体(Bi2Se3或Bi2Te3)表面沉积一层普通绝缘体(CI)原子层(如ZnM，M=S，Se，和Te)，TSS可以转移到CI上，保持在界面处不动，或者被推到拓扑绝缘体的更里层。拓扑绝缘体异质结构中表面态的这些不同表现是由半导体材料的几个主要参数(自旋轨道耦合强度、带隙大小以及功函数)决定的，预示了多种量子相变发生的可能性。