近年来,表面化学在构建新功能纳米材料方面,已经成为科学技术领域关注的研究热点。羧酸可以作为氢键的给体或受体利用氢键在表面构建各种新奇的组装结构;而且由于其在表面化学反应中的副产物容易从表面脱附,羧酸分子也可以通过各种表面化学反应构建新型纳米材料。但是,目前对于羧酸在表面的组装结构更多的是研究其形貌、影响结构的因素及主客体化学,对于羧基氢键构建的组装结构对金属表面态电子的影响仍然没有研究。而且金属表面上通过羧酸的脱羧耦联反应构建的纳米材料杂乱无序且产率很低。另外,从原子/分子水平上研究特别构造的渗碳表面催化羧酸分子反应,对研究新型催化剂具有重要意义。因此,研究羧酸分子在金属或渗碳表面的组装及化学反应,不仅可以洞察与衬底具有弱相互作用的纳米结构对表面态电子的限制作用,而且可以为原子/分子水平上设计、优化及合成特殊功能的纳米材料及新型催化剂提供理论基础。为了研究利用氢键构建的纳米结构对Au（111）表面态电子的作用,本文利用超高真空扫描隧道显微镜（STM）结合密度泛函理论（DFT）计算研究了3-马来酰亚胺基-1,5-苯二酸（BCM）分子在惰性Au（111）表面的组装结构及结构对表面态电子的围栏作用。BCM分子沉积到Au（111）表面,通过不同温度的退火,其通过羧基之间的双氢键作用逐渐组装成长程有序的二维孔状网格结构。在室温下,通过STM图像对限制在纳米孔中的表面态进行成像,纳米孔中呈现明亮的圆环。利用原位连续扫描的方法证明圆环并不是旋转的分子、分子片段或分子骨架的态密度,而理论计算证明纳米孔内圆环是表面态电子的第二本征态。加大扫描电流,纳米孔内的圆环逐渐变暗;减小扫描电压,纳米孔内圆环消失,说明Au（111）表面态电子被STM直接成像受扫描电流与电压的影响。鉴于Au（111）表面很难发生羧酸分子化学反应,所以本文利用STM、原位红外光谱（IRAS）及DFT理论计算研究了BCM分子在催化性更强的Cu（111）表面的组装及脱羧环化反应。室温下,BCM分子通过分子间氢键作用在Cu（111）表面形成有序的‘链状’结构（Z1结构）,并且通过马来酰亚胺基的氧与衬底铜原子之间有强的相互作用。通过高温退火,有序的‘链状’结构经有机中间体结构转化为长程有序的‘花’状结构。通过原位IRAS实验及DFT理论计算证明BCM分子在表面发生脱羧环化反应,形成6-PMP-Cu结构。通过设计的独特的前体实现一种有机化合物的高收率、长程有序表面合成。分子的“Lock-Unlock”变化是通过实现高质量脱羧环化反应的关键。分子锁定可以使分子具有高的键合稳定性,随后的解锁为反应物种的耦合和组装提供了良好的流动性。同时,由于马来酰亚胺基团的空间位阻作用,实现了进一步环化反应的优选,链状结构被抑制。分子的锁定/解锁与分子内的电子再分配有关,为涉及高能垒的表面合成开辟了一条有希望的途径。利用STM、X-射线光电子能谱（XPS）及DFT在原子/分子水平上研究了渗碳Cu（111）表面局域电荷催化羧酸分子与铜原子的置换反应。通过实验和理论计算证实,利用CVD法可以将碳原引入Cu（111）表面的亚表层,并致使表面铜原子带有0.3 e局域正电荷。局域电荷的存在使BCM分子在渗碳Cu（111）表面发生羧基去质子化反应,然后每个羧基氧捕获一个铜吸附原子完成置换反应,形成有序的‘链状’结构（Z2结构）。详细的DFT理论计算证实了,局域电荷使羧酸分子的羧基去质子化反应能垒降低了0.11 e V,并且将非自发反应过程转变为自发反应过程。而且室温下在渗碳铜表面的羧基去质子化反应速率比原始铜表面提高了近两个数量级。带有局域电荷的过渡金属表面为高效表面反应和选择性催化提供广阔的前景。