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石墨烯具有较高的热导率、电子迁移率和较低的电子噪声等优异电学特性,以及独特的光学性质、较高的机械强度、和相对稳定的化学性质,尤其是巨大的比表面积,在气敏器件方面具有广泛应用前景。但是本征石墨烯的物理化学性质相对稳定,对气体分子的吸附作用较弱。对石墨烯进行掺杂修饰,或者外加电场等改性之后,能够显著改善石墨烯对气体分子的吸附和检测效果。本文以AA型双层石墨烯(BG)为研究对象,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,首先研究了 AA堆叠型双层石墨烯掺杂金属原子(Pd,Mo)后对气体分子CO和NO的吸附机理和气敏特性;其次研究了过渡金属(TM=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)掺杂双层石墨烯对H2S吸附的结构和电子性质,并讨论了电场作用下的吸附构型、吸附能、电荷转移和电荷密度分布;最后研究了双层石墨烯在储氢方面的性能。全文主要工作和结论如下:(1)对于AA堆叠型双层石墨烯掺杂Pd,Mo原子(Pd/BG,Mo/BG),金属原子的掺杂改变了双层石墨烯的电子性质和局部几何结构,有利于气体分子的吸附。CO和NO吸附在Pd/BG上的最稳定结构是不同的,CO分子近似平行于石墨烯表面,而NO分子几乎垂直于石墨烯表面。Pd/BG对NO分子的吸附强于CO分子,CO是物理吸附,而NO属于化学吸附。CO与NO分子近似垂直于Mo/BG石墨烯平面而形成最稳定构型,Mo/BG对CO和NO均是化学吸附。Pd/BG吸附CO和NO气体分子具有不同的电子性质。在吸附CO气体分子后,Pd/BG体系由原先的半导体性质变为金属性,系统无磁性;而在吸附NO气体分子后,Pd/BG体系变为半金属性,具有较大磁矩。这种电子性质的变化能够阐明气体分子吸附的敏感程度。研究结果能够为石墨烯基的气体传感器或者探测器提供理论基础和实验指导。(2)效层石墨烯掺杂过渡金属(TM=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)后,相对纯双层石墨烯,显著提高了对H2S气体分子的吸附作用。外加电场促进了 H2S在双层石墨烯上的吸附,且吸附稳定性随着电场强度的增强而提高,但稳定性与电场方向(向上或向下)无关。然而,H2S气体分子对电场方向很敏感,向下(负值)的电场更有利于H2S在TM掺杂双层石墨烯上的吸附。TM掺杂双层石墨烯在向上(正值)电场作用下有利于H2S气体分子的解吸,且在电场强度为0.2V/A时解吸效果最大。气体分子的吸附改变了 TM/BG系统的电子结构。除V/BG-H2S体系外,所有TM/BG-H2S体系都表现出半导体特性,且不同的体系具有不同的带隙。研究结果表明过渡金属掺杂双层石墨烯在H2S气体的吸附、存储以及检测方面具有潜在的应用前景。(3)研究外加电场对AA型双层石墨烯吸附H2分子的影响。对于4×4×1的本征双层石墨烯,最多可以吸附6个氢气分子,表现为物理吸附。说明双层石墨烯对氢气分子的吸附能力有限,不利于氢气的储存。吸附氢气分子的数量越多,对石墨烯电子结构的影响越大。外加电场可以有效调控石墨烯对氢气分子的平均吸附能,使其达到理想的平均吸附能范围内(-0.2eV～-0.7eV),有利于氢气分子的存储。电场作用下,双层石墨烯可以吸附7个氢气分子,说明电场可以提高石墨烯的储氢能力。研究结果表明适当的外加电场使得石墨烯作为一种储氢材料成为可能。