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开发高性能的储氢材料是当今世界研究的一个热点。对碳纳米管、富勒烯等碳基材料进行掺杂、金属包覆等改性操作可以提高其储氢含量,使之被誉为最富有应用前景的储氢材料之一。首先利用第一性原理计算方法对锂原子包覆、硼原子掺杂的C60的储氢性能进行研究。本论文首次探讨了Li包覆在由12个B掺杂的具有S6对称性的C48B12上所得的体系的储氢性能。研究发现Li在C48B12表面存在6个稳定吸附位点。每个位点上的Li最多以分子形式吸附5个氢分子,比文献报道的包覆在具有Ci对称性的C48B12上的单个Li多吸附2个氢分子,其中以化学吸附和诱导偶极吸附共同作用的形式吸附4个氢分子；以较强的诱导偶极作用吸附1个氢分子。由于Li在S6对称性的C48B12上有6个吸附位点,导致Li在C48B12有两种不同的密集包覆形式：一种是8个Li均匀吸附在8个六元环的正上方,即.Li8C48B12；一种是12个Li均匀吸附在12个五元环正上方,即Li12C48B12。研究表明Li在C48B12上的密集包覆并未影响Li的储氢性能：在Li8C48B12中,40个氢分子被吸附在体系中,其理论储氢含量质量比达到9.5wt%；在Li12C48B12中,60个氢分子被吸附在体系中,其理论储氢含量质量比达到13.6wt%。两者均超过了美国能源部制定的车载动力储氢材料储氢含量质量比应达到6.5wt%的标准。虽然Li12C48B12比Li8C48B12的储氢含量高,但是Li在由2个B及4个C组成的六元环上的吸附能略高于由1个B及4个C组成的五元环上的吸附能,反应优先生成Li8C48B12,同时Li8C48B12中Li的平均吸附能仅比Li12C48B12中Li的平均吸附能高0.49eV,这意味着在实际操作中要得到有较高储氢性能的Li12C48B12比较困难。为解决Ti等过渡金属在C60表面发生团簇的问题,本论文首次尝试将Ti对C60进行多次取代掺杂。研究发现当进行第二次取代后,取代的2个Ti中的1个Ti趋向于与C60中的一个C形成TiC片断释放出来,而另一个Ti则位移到一个12元环的正中心,形成具有C2v对称性的新颖结构,TiC58。计算发现吸附在Ti上的第一个和第二个氢分子被Ti催化,经过一个较低的能垒解离成四个氢原子。随后,另外有4个氢分子以分子形式,通过Kubas相互作用吸附在Ti的周围。TiC58中的Ti总共可以吸附6个氢分子,比迄今文献报道的吸附在碳纳米管表面的Ti最多吸附4个氢分子提高50%。将多个Ti对C60进行取代掺杂,最后得到由6个Ti取代的具有Oh对称性的新颖结构,Ti6C48。研究发现Ti6C48中的每个Ti均具有TiC58中Ti相似的储氢性能,可以总共吸附24个氢原子和24个氢分子,其理论储氢含量质量比达到7.7wt%。考察在Ti6C48上进行Li包覆,研究发现Li不会与Ti及Li形成团簇,且稳定地吸附在Ti6C48的碳六元环正上方,得到Li8Ti6C48的化合物。计算表明,Li8Ti6C48中的Ti对氢分子的催化能力减弱,但每个Ti仍能以分子形式吸附4个氢分子,其作用方式和Ti6C48中Ti与氢分子作用的方式相似；Li8Ti6C48中的每个Li可以最多吸附5个氢分子,其作用方式和包覆在C48B12表面的Li与氢分子作用的方式相似。体系总共可以吸附64个氢分子,其理论储氢含量质量比达到12.2wt%。氢原子在Mg金属内的扩散动力学性能比较差,限制了Mg在储氢方面的应用,而金属内空穴的存在可以大大改善氢原子的扩散动力学性能。通过考察Mg(0001)面、面下三层和体胞内的单空穴形成能以及跨层双空穴的稳定性,首次初步探讨了氢原子在Mg内可能的扩散路径。计算结果表明面下第二层的单空穴形成能最高,空穴数目最少,成为氢原子扩散的最主要的屏障。而两个单空穴分别处于第二层和第三层的最近邻位置的双空穴可以稳定存在。