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二维材料自发现以来因其独特的结构和性质而备受关注,随后大量的新型类石墨烯二维材料相继被发现或合成,如六方氮化硼和石墨相氮化碳等。同时,金属团簇也因其超小尺寸和高催化活性而广受欢迎。本论文基于第一性原理计算,围绕金属团簇对类石墨烯二维材料电子结构以及吸附和催化性质的修饰作用进行了系统的理论研究,分析了金属团簇和类石墨烯二维材料的结构和电子性质,预测了对有害气体或有害金属元素具有优良吸附特性的上述复合材料。主要研究内容可分为以下三部分。（一）金属团簇Bi Pdn（n=2-20）和InmXn（X=Se,Te;m+n=5）团簇的结构与性质1.利用DFT方法研究了BiPdn（n=2-20）团簇的几何结构、电子、吸附和催化性能,据此探索潜在的稳定高效的小尺寸催化剂。Bi Pd12最大的电负性（约为5.28 e V）和Bi原子上的Mulliken电荷转移量表明该团簇可能存在很强的电子相互作用。同时,通过分析Bi Pdn团簇对NO和CO分子的吸附性质发现,这两种分子分别最容易吸附在Bi Pd12（吸附能约为-0.378 e V）和Bi Pd17（吸附能约为-0.899 e V）上。另外,计算了通过“二聚体”方式将同时吸附的两个NO分子分解成N2O和一个留在活性位点上的Oads的催化反应,该过程只需克服相对较低（约0.65 e V）的激活能垒,而放热反应意味着该反应在室温下容易发生。由此可见,具有较高对称性和稳定性的Bi Pd12可能有潜在的高效电化学还原NO的性能。2.对InmXn（X=Se,Te;m+n=5）团簇结构、稳定性以及电子、磁性和光谱特性的研究发现,除In2X3的基态结构对X=Se和Te有较大的区别以外,其余具有相同m值的硒和碲团簇基态结构都很相似。In2Se3团簇表现为1.60 e V的较低垂直电子亲和能（VEA）和9.33 e V的最高垂直电离能（VIP）。对于m=奇数（1,3）或偶数（2,4）的团簇,其总磁矩分别为1mB或0mB。InmXn团簇中X原子的局域磁矩约占体系总磁矩的99.9%,而In原子的局部磁矩仅占0.1%。除In2X3团簇以外,其余具有相同m值的硒和碲团簇红外和拉曼光谱均较类似。m=1和3（除In3Te2）的团簇在390-780 nm的吸收峰可能预示其在紫外和可见光范围具有潜在的应用价值。（二）二维材料h-BN和g-C3N4的结构和吸附性质。1.对多种过渡金属原子掺杂在h-BN单层中的研究发现,具有B空位（VB）的h-BN单层更容易掺杂金属原子。金属原子的掺杂可以增强含B原子缺陷的h-BN单层对于气体分子（H2、N2、CO、NO、CO2）的吸附能力,其中含缺陷h-BN单层掺杂Pt原子后具有最强的NO吸附能力。两个同时吸附在催化剂上的NO分子可以通过两种不同的Langmuir-Hinshelwood（LH）机制分别与Pt相互作用形成五元环或四元环实现NO催化还原反应。LH1反应过程需要克服相对较低的能垒,而LH2机理的产物具有更稳定的结构。可见Pt原子掺杂能增强含缺陷h-BN单层对气体分子的吸附能力和潜在的电化学催化性能。2.曲面结构的g-C3N4单层比平面g-C3N4单层的能量更低,结构更稳定。曲面结构的g-C3N4单层的间接带隙约为1.98 e V,其导带最小值（CBM）位于Γ点,价带最大值（VBM）位于沿X-Γ方向靠近Γ的某一点。通过对比Pt原子在g-C3N4单层中的五种不同掺杂位置发现,当Pt掺杂到g-C3N4单层六角腔中心位置时吸附能最低。（三）BimPdn（m+n=2-6）/h-BN和Ptn（n=1-7）/g-C3N4复合结构的吸附性质。1.通过对BimPdn/h-BN复合结构的研究发现,BimPdn团簇的热力学稳定性随团簇尺寸的增加而提高。相较于单纯的Bin或者Pdn,BimPdn团簇更容易吸附在含B缺陷的h-BN单层上。Bi Pd/h-BN复合结构对于CO分子的吸附能分别为整体极小值,CO获得电子转移量为整体极大值,说明该复合结构对CO分子具有较强的吸附能力。CO分子吸附在上述复合结构上的电荷转移量也比吸附在对应原始h-BN单层上更大,实际上,BimPdn团簇的修饰使体系分波态密度中增加了d轨道的贡献,增强了轨道间杂化程度,从而促进了含缺陷h-BN单层对于CO分子的吸附能力。2.根据Ptn团簇与g-C3N4单层复合结构对有害金属Hg~0、Ni2+和Pb2+吸附性质的分析发现,对于Hg~0、Ni2+和Pb2+吸附在纯Ptn团簇的情形,Pt7表现出最强的吸附能力,分别对应于最低吸附能-0.75 e V、-16.47 e V和-7.30 e V以及最大电荷转移量。Hg~0、Ni2+和Pb2+在Pt7/g-C3N4复合结构上得到吸附能最低值分别约为-1.53 e V、-19.09 e V和-13.03 e V。此外,Pt7/g-C3N4复合结构与Hg、Ni和Pb元素周围大量的电子云表明它们之间存在较强的相互作用。因此,Pt7/g-C3N4复合结构可望成为一种高效去除汞、镍和铅的潜在吸附剂。本论文基于第一性原理计算,首先对双金属混合团簇Bi Pdn（n=2-20）和金属-非金属混合团簇InmXn（X=Se,Te;m+n=5）的结构和性质进行了研究;然后讨论了金属原子掺杂对h-BN和g-C3N4单层的修饰作用;最后将金属团簇BimPdn和Ptn分别负载于h-BN和g-C3N4上,研究了金属团簇对类石墨烯二维材料电子结构以及吸附和催化性质的修饰作用。