金属氧化物气体传感器虽然具有灵敏度高、成本低廉、可集成于各电子产品中等优势。然而其不足之处如必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、功率高等限制了其进一步发展。石墨烯具有超高的比表面积,可以负载较多的气体分子,提供更多活性位点。石墨烯极好的电子传输能力、良好的电催化活性及化学稳定性等优势,使其在化学传感器领域拥有巨大潜力。并且通过对石墨烯进行改性,可提升其气体传感的选择性,使其在气体传感方面表现出巨大的潜力。本文通过第一性原理模拟,系统研究了在石墨烯中引入TMN4（TM为过渡金属原子,与周围四个N原子配位）后,TMN4@G对空气中常见分子（CO,CO2,H2O,NH3,NO,NO2,CH4,O2和N2）的吸附性质,并从TMN4@G中筛选出Ag N4@G对目标气体CH4,Ni N4@G对目标气体NO、NO2具有优异的灵敏性和选择性。甲烷（CH4）检测对于工矿安全运行和人类日常安全生活有着至关重要的作用。由于甲烷具有相同键长和键角,呈正四面体结构,碳上价电子全部用于成极性较低的C-H键。通常情况下甲烷非常稳定,因此对甲烷检测具有相当大的挑战性。通过第一性原理系统研究了TMN4（TM=Fe,Co,Ni,Cu,Ru,Rh,Pd,Ag,Ir,Pt和Au）掺杂石墨烯对CH4的气敏性质。结果表明Ag N4@G对CH4气体具有很好的灵敏性和选择性。并且在H2O或O2存在的条件下,其对CH4的灵敏性还能得到大幅度提升。这些结果表明Ag N4@G具有在大气环境下探测CH4的巨大潜力。通过研究不同气体分子在TMN4@G上的吸附强度,筛选得出Ni N4@G对NO、NO2吸附较强,表明Ni N4@G对NO、NO2具有高选择性,有望作为探测有毒气体NO2、NO的传感器。随后通过电子结构分析,进一步确定Ni N4@G对NO2和NO具有最优的选择性。最后,利用非平衡格林函数方法模拟Ni N4@G吸附NO2和NO的电流-电压特性,研究了Ni N4@G吸附NO,NO2的传感性能。结果表明Ni N4@G在吸附NO,NO2后的电流-电压关系在zigzag方向变化明显。特别的,在1.2 V的偏压下,NO、NO2吸附将使电流信号分别下降66%、72%。而在armchair方向电流-电压关系的变化很小。这些结果表明,Ni N4@G在实际应用中可有效检测和识别NO、NO2气体,产生电信号。本研究为TMN4@G气体传感器研究以及改性石墨烯材料的气敏研究打下了基础。