近年来，经济的高速发展，环境问题日益严重，如何高效低成本的改善环境引发了人们的广泛关注。CO作为一种大气污染物，主要来自内燃机的排放和各种燃料的不完全燃烧，因此如何将CO氧化成为了解决其污染问题的重要途径。N₂O作为高增温潜势的温室气体，所能造成的温室效应的效果是CO₂的310倍，CH4的21倍，并以每年增长率2%而成为日益关注的环境问题。此外N₂O的排放被认为是21世纪以来消耗臭氧层的最重要物质。为了消除大气中的CO和N₂O，一个最有效的途径是利用催化剂将其氧化和分解。早期的理论和实验研究了CO和N₂O在贵金属表面上的氧化和分解反应，主要是为了降低反应所需的能垒Er。例如：钯，铂，铑等贵金属可以有效地将CO和N₂O催化氧化和分解，然而这些贵金属通常比较昂贵而且需要很高的反应温度才能进行反应，并且反应后形成的O原子极容易吸附在贵金属表面，毒化金属表面，降低催化分解反应效率。近期研究发现新型的催化剂，诸如合金，团簇，金属氧化物和金属纳米管可以克服这些瓶颈。显然，这些高效低成本的催化剂是值得广泛应用的。固态气体传感器由于其高灵敏性、微型化和低成本而得到广泛的应用。随着工业、环境和军事监测领域的发展，未来将会需要更高灵敏度气体传感器。新型的气体传感器得到日益的发展研究，诸如碳纳米管和半导体纳米线。这些新型的气体传感器可以探测到浓度只有ppb（即：1/109）浓度范围内的有害气体。过渡金属掺杂石墨烯（TM/graphene）可以高效探测各种有害气体，可以作为未来新型高灵敏性传感器电子器件。本文基于密度泛函理论的第一原理计算方法，研究了CO和N₂O在TM/graphene上催化氧化和分解反应的机理，同时也探讨了TM/graphene可以作为优异的传感器材料，可以有效的探测到超低浓度H₂CO和HF有害气体。主要研究成果分为以下四部分：一、研究了CO在Cu/graphene催化氧化反应的机理。结果表明CO氧化反应从两个阶段开始进行，分别是LH机制CO+O₂→OOCO→CO₂+O和ER机制CO+O→CO₂。前者所需反应的能垒0.25和0.54eV，后者则是自发反应的过程。CO在Cu/graphene上可以高效催化氧化，主要是归结于CO、O₂和Cu原子之间电子轨道杂化，特别是Cu-3d、CO-2π^*和O-2π^*的轨道杂化。Cu/graphene具备高效催化活性且成本低，开辟了催化CO氧化新型催化剂。二、研究了外电场条件下N₂O在Mn/graphene上催化分解反应机理。研究结果表明，相对于传统铂族金属催化剂，外电场辅助下的Mn/graphene不仅能够更有效的将N₂O催化分解，还可以将形成产物N₂和O₂从Mn/graphene上解吸附，进而防止被毒化催化剂。催化分解反应主要从两个阶段进行，即N₂O→N₂+O和N₂O+O→N₂+O₂。在外电场条件下，N₂O和Mn/graphene之间发生电子转移导致N₂O被高效的催化分解。因而，在外加电场条件下，Mn/graphene可以高效催化分解N₂O，促使生成物解吸附，防止被毒化。三、研究了在外电场条件下H₂CO有害气体在Mn/graphene上的吸附和解吸附行为。研究结果表明，在外电场的辅助下，Mn/graphene可以作为传感器高效可逆性探测H₂CO有害气体。这种高效可逆性探测效应归结于：在外电场条件下，H₂CO和Mn/graphene之间发生电子的转移，导致H₂CO在Mn/graphene上发生吸附和解吸附行为。因而，外加电场条件下，Mn/graphene高效可逆性探测H₂CO，可以作为新型高灵敏可逆性传感器器件。四、研究了HF有害气体在TM/graphene上的吸附行为。研究结果表明，在TM/graphene中，Ti/graphene可以更高效探测到HF气体。Ti/graphene作为传感器的原理：HF与Ti/graphene之间发生电子转移，导致能带结构改变，电导率发生改变，从而探测到HF。因而，Ti/graphene作为一种新型传感器用来探测HF，具有高效灵敏性。基于密度泛函理论计算，我们研究了TM/graphene作为催化剂和传感器的反应机理和探测机理，为制备新型电子器件提供理论基础，为开发新材料提供研究方向。