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石墨烯基纳米材料具有独特的物理和化学性质,在纳米电子学、催化剂和传感器件设计等领域上拥有潜在的应用,引起了实验和理论科学家们的极大兴趣。本文中,基于第一性原理计算,研究了硼氮化学掺杂和含氧官能团共价化学修饰对石墨烯表面反应性的影响,计算了氧分子在硼氮掺杂石墨烯上的解离行为以及丙烷分子在氮掺杂石墨烯氧化物（GO）氧化脱氢成丙烯的机理,考察了银纳米粒子沉积在GO上的结构和电子性质以及氨等气体分子的吸附行为。结果为实验上设计新颖的无金属催化剂和化学传感器提供了理论基础。本文主要结果如下:（1）运用密度泛函理论,研究了三角形和四边形不同形态和不同边界终止的掺杂硼氮片对氧分子在石墨烯上解离的影响。结果显示,硼氮片掺杂石墨烯催化氧分子解离的活性,取决于硼氮片的形状和边界。一方面,三角形硼氮片掺杂的效果比四边形要好,前者反应活化能更低,属于放热反应。另一方面,氮边界比硼边界掺杂的石墨烯更有利活化氧分子。特别地,对氮边界终止的三角形硼氮片掺杂的石墨烯,与氮相邻的硼原子拥有最大的活性。电子结构计算揭示,活性中心大的正电荷密度及其费米能级附近增加的π*的态密度,是硼氮片掺杂提高石墨烯反应活性的关键因素。（2）碳氢键的活化是烷烃氧化脱氢反应的关键一步,氮原子掺杂也许可调控GO中氧官能团的活性。应用第一性原理计算,建立了含环氧和羟基不同原子构型的含N掺杂的GO模型,研究丙烷分子在这些含N掺杂的GO上氧化脱氢成丙烯的机理。计算表明,环氧对碳氢键的活化取决于氧化官能团相对于N的位置。与没有掺杂N的GO比较,大多数位置的环氧或羟基能够降低碳氢键的活化能垒,并提高它的热力学行为。有趣地,与氮相邻的类醚环氧对能够更加有效活化丙烷的碳氢键。丙烷的第一个碳氢键断裂过程是整个ODH反应的决速步。（3）通过密度泛函理论计算,研究了Ag13纳米粒子沉积在GO上的稳定性,探索纳米粒子调控GO吸附NH3和NO的机理。计算发现,环氧及其相邻的sp2杂化碳原子是GO稳定银纳米粒子的活性中心,与Ag原子形成C-O-Ag键和C-Ag共价键,提高纳米粒子的稳定性。Ag13纳米粒子与氧化石墨烯的界面作用能够很好修饰粒子的电子性质。由于N-Ag键和NH…O氢键的形成,NH3能够强烈吸附在银表面。银纳米粒子被GO上的O氧化形成纳米粒子氧化物能够明显改善NO的吸附。电子结构表明,NH3的HOMO轨道和Ag13/GO复合体的导带进行杂化,使得NH3表现为电子供给复合体。相反地,NO是一个电子接受体。相关的计算结果和实验观察一致。