气候变化对社会发展的影响已越来越为人关注。能够有效的治理和减缓全球变暖问题的二氧化碳捕集和存储技术受到了研究者的日益关注。为解决二氧化碳捕集过程所带来的密集的能源消耗问题,相比其他二氧化碳治理技术,化学链燃烧具有低能耗的优势,也因此逐渐获得研究者的重视。而其中作为媒介的氧载体的开发是优化化学链燃烧技术的关键。尽管数十年来出现了大量的氧载体开发研究。但多限于实验方法,缺乏系统的理论计算方法研究,尤其是结合密度泛函理论（DFT）与微观模型的多尺度模拟仍非常少见报道。因此包括最为广泛使用的氧化镍在内,氧载体在化学链燃烧中的反应机理、微观尺度行为以及包括氧缺位在内的重要的影响因素都尚不明确。本论文通过建立多尺度模型进行了对于合成气在氧化镍氧载体表面的吸附和氧化过程的全面研究,尤其揭示了氧缺陷位以及相邻共吸附物对于系统的重要影响。论文首先进行了合成气（包括一氧化碳和氢气）在氧化镍表面相邻共吸附的作用原理（邻近效应）,探索了清洁氧化镍（100）面上合成气受到一个或多个相邻共吸附物种影响下的吸附性为。研究结果证明,合成气的吸附稳定性受到第一个相邻共吸附物的减弱效应影响最为明显。当相邻共吸附物种与吸附物种相同时（均质吸附）,吸附稳定性会随着相邻吸附物种数目的增加而降低,当相邻位点被非同种物种占据时（混合吸附）,合成气的吸附稳定性则相对强于均质吸附（混合吸附效应）。另外,相邻共吸附物的构型对称性较低时有利于合成气的吸附。研究的结果表明,合成气于氧化镍表面的吸附稳定性会受到空间效应、混合吸附效应和相邻吸附物构型对称性的影响。上述研究结果为本系统的多尺度的邻近效应分析提供了基础。论文采用DFT分析研究了合成气在氧载体,氧化镍表面的氧化过程,建立了无其他吸附物影响条件下完整氧化镍表面的合成气氧化机理。研究发现氢气的分解为整个合成气氧化过程中的速率控制步骤。本研究建立了DFT基础上的Mean-field（MF）多尺度模型,并通过对比实验结果验证了所提出的反应动力学原理。研究结果表明,高温、低压会使系统产生较高的二氧化碳/水产物比例。这部分研究所建立的完整氧化镍表面上无其他吸附物影响的合成气氧化机理,为后期对于影响因素的研究做了良好的铺垫。论文进一步对表面氧缺陷位对于合成气吸附、合成气氧化和氧在晶格内迁移的影响规律进行了系统的理论分析。吸附分析结果以及氧化反应机理分析都证明了表面氧缺陷位促进了合成气的氧化。尤其在缺陷表面上氢气氧化通过两步反应进行而非完整表面上的三步反应。在缺陷表面上一氧化碳氧化过程为整个合成气氧化过程的速率控制步骤。另外,本研究还对氧化镍晶格中的供氧性质进行了分析,为晶格内氧由内向外的迁移方向提供了理论依据。论文所提出的缺陷表面上的反应机理被带入DFT-based MF模型,并得到实验结果的验证。论文采用DFT分析进一步研究了邻近效应对于合成气氧化过程的影响。活化能的分析结果表明,相邻共吸附的一氧化碳对一氧化碳氧化反应略有抑制,而相邻共吸附的氢气则强化了这一反应。除了同时存在相邻共吸附的三个氢气的构型外,氢气的分解、氢原子迁移以及水的生成过程都受到相邻共吸附物的强化作用。另外,相邻共吸附的一氧化碳相对于氢气而言对于化学平衡的影响较大。论文在上述DFT结果基础上构建了DFT-based kinetic Monte Carlo（k MC）多尺度模型,验证了所提出的反应动力学模型和邻近效应的准确性。DFT-based k MC模型所得出结果表明,邻近效应对于一氧化碳吸附的影响显著,而对于其氧化过程的影响则较弱。氧载体的转化过程被一氧化碳氧化和水生成反应的邻近效应所加强,而被氢气化学吸附过程的邻近效应所削弱。另外,较高的一氧化碳与氢气的覆盖比例会降低氧载体转化率。邻近效应对于系统预测结果带来了显著变化,证明邻近效应对于得到准确的研究体系的预测至关重要。综上所述,论文通过多尺度模拟研究揭示了合成气在氧化镍氧载体表面的吸附原理和反应机理,并分析了表面氧缺陷位以及邻近共吸附物对所研究过程的重要影响。研究结果表明,表面氧缺陷位与邻近效应对合成气的表面吸附和反应的影响不容忽视。氧缺陷位对于氧载体行为以及邻近效应对于合成气氧化均有明显的促进作用。另一方面,邻近效应削弱了合成气的吸附强度。论文建立的多尺度模型,为基于电子分布的DFT分析结果与实验观测中宏观尺度结果之间建立了联系,解决了DFT分析结果难以根据实验结果验证的问题。另外,本论文建立的DFT-based k MC多尺度模型解决了DFT-based MF模型无法考虑动态表面环境的邻近效应的问题,实现了对这一影响因素的多尺度研究。本论文通过多尺度模拟方法,与实验观测结果比对验证了所提出反应动力学机理和其影响因素的准确性,并提供了对其在实际操作条件下的预测。