阳离子和含π电子的结构广泛存在于各类碳基纳米材料和自然环境中,阳离子与含π电子的结构之间存在较强的非共价相互作用——阳离子-π作用。虽然阳离子-π作用在多数情况下是指阳离子和芳香环结构之间的相互作用,但是不包含芳香环的分子只要含有π电子就能够和阳离子产生阳离子-π作用,所以阳离子-π作用在各种涉及碳基纳米材料的物理、化学和生物过程中都非常重要。这些过程通常处于富含盐离子的水环境中,因此水分子通过强水合阳离子-π作用对碳基纳米材料的特性和应用有着广泛的影响。本文主要采用第一性原理计算对水分子通过水合阳离子-π作用影响碳基纳米材料的特异性吸附阳离子、磁性和光催化等特性进行了理论研究,相应的碳基纳米材料中含π电子的结构分别是多芳香环、单芳香环以及含π键的官能团。（1）水分子通过水合阳离子-π作用对石墨烯特异性吸附阳离子的影响。首先我们通过结构搜索算法与第一性原理计算相结合的方法获得了从0到9增加水分子个数n时水合阳离子自身及其在石墨烯表面吸附的全局最稳定结构。进一步的结构分析和相互作用能分析发现,石墨烯通过扭曲水合K+的水壳层能够直接与K+进行相互作用,我们称之为水-阳离子-π作用;相反地,水合Li+的水壳层非常稳定,石墨烯只能通过水分子间接与Li+进行相互作用,我们称之为阳离子-水-π作用。这些水合阳离子在石墨烯表面上吸附的行为主要归因于阳离子-π作用和水合作用之间的竞争。同时发现在水分子的影响下（n≥7）水合碱金属离子和石墨烯之间的水合阳离子-π作用具有反常的强度顺序:水合Li+＜水合Na+＜水合K+,这与气相下（n=0）的阳离子-π作用强度顺序相反。这些发现提供了水合阳离子吸附在石墨烯表面上的分子结构和吸附能等有价值的信息,为人们设计海水淡化、污水处理和离子筛分等领域的器件或装置提供借鉴和参考。（2）水分子通过水合阳离子-π作用对芳香性多肽磁性的影响。首先我们通过结构搜索算法与第一性原理计算相结合的方法获得了从0到6增加水分子个数n时水合氯化物自身及其在单芳香环表面吸附的全局最稳定结构。进一步的结构分析和相互作用能分析发现是在水分子帮助下（n＞2）的强水合阳离子-π作用导致镁和钙的水合一氯化物与水合二氯化物的吸附稳定性相当,这与气相下（n=0）的结果相反。这使得溶液中Mg+和Ca+离子能够稳定吸附在芳香性多肽（AYFFF）的单芳香环结构上,并得到了电化学实验和光谱学实验（XPS和XANES）的证实。据此我们发现本不是传统顺磁性材料的高价阳离子(Mg2+和Ca2+等),却可以将组装的芳香性AYFFF从抗磁性转变为超强顺磁性。其中Mg+和Ca+离子上的未配对电子是超强顺磁性的电子结构基础。这些发现不仅为生物体内磁感应的起源和磁场的生物学效应提供了新的见解,而且还为开发新的磁控制技术和药物递送提供思路。（3）水合阳离子-π作用对含π键的偕胺肟基光催化性能的影响。基于第一性原理的密度泛函理论计算,研究水合Fe（Ⅲ）离子和含π键的偕胺肟基形成的配合结构和结合能,我们发现溶液中水合阳离子-π作用能够促进含π电子的偕胺肟基稳定地吸附Fe（Ⅲ）。进一步的前线分子轨道分析发现Fe（Ⅲ）和偕胺肟基形成的配合物具有较低的HOMO-LUMO能隙值,HOMO上的电子主要占据在肟基的C=N双键上。表明水合Fe（Ⅲ）离子与偕胺肟基中的π电子之间的水合阳离子-π作用显著降低了光照下电子从配合物激发到Fe（Ⅲ）离子的能垒,从而提高了光还原Fe（Ⅲ）生成Fe（Ⅱ）的效率并促进光芬顿反应的速率。这些发现不仅揭示了水合阳离子-π作用在稳定过渡金属阳离子的配体方面的重要作用和促进光芬顿反应速率的机制,也为探索出由含π电子配体和过渡金属阳离子组成的新型光催化材料用于快速降解有机污染物奠定了理论基础。本文的发现能帮助人们理解水分子通过水合阳离子-π作用对溶液中阳离子在含π电子的碳基纳米材料上吸附和动力学行为的影响,以及由这种影响所导致的碳基纳米材料在结构、功能和应用的变化,也为设计海水淡化、离子筛分、磁控制技术和污水处理等领域的装置或催化材料提供重要的理论参考。