工业生产过程中产生的CO2和NO2,NO,NH3在大气中的过量积聚能直接影响地球环境,会形成温室效应和酸雨,并进一步危害人类的健康。因此,将这些小分子资源化利用或即时检测浓度有利于保护环境和维护生命安全。自从石墨烯材料被发现之后,二维（2D）材料就因其独特的表面形态和优异的物理化学性质而引起研究者广泛关注。石墨二炔（GDY）作为存在一定带隙的类石墨烯材料,由sp和sp~2杂化C原子组成的结构赋予其独特的可调谐表面化学性质,较大的比表面积也意味着该材料在催化剂和传感器领域具有潜在的应用前景。本文基于密度泛函理论第一性原理计算的研究方法,对单层GDY进行单金属原子负载、非金属单原子掺杂的修饰改性手段,设计了基于GDY的电化学催化剂和气体传感器。本文的主要研究内容可以总结为以下两个部分:1、研究了第四周期过渡族单金属原子负载在GDY表面时体系的稳定性和相对应体系的二氧化碳还原（CO2RR）催化活性。计算结果表明除Zn外的Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu单金属原子修饰体系在热力学和动力学上均是稳定的。接下来进一步探讨了整个反应的最优能量路径,发现Ni、Cu负载体系的决速步所需反应自由能分别为0.941 e V和0.65 e V,较低的反应自由能表明在这两种体系表面催化生成终产物CH4所需克服的能垒较低。因此基于Ni、Cu修饰的GDY表面催化活性得到极大的提高,适合被用来开发CO2RR催化剂。2、作为对比性研究,本文继续就GDY材料表面对一些环境不利气体小分子（CO,CO2,CH4,HCHO,H2S,SO2,SO3,NO2,NO和NH3）的气敏性进行了探讨,吸附结果表明初始的GDY对这些气体选择性较弱。接着考虑引入B、N单原子进行表面掺杂改性,发现B原子修饰后的GDY（B-GDY）对NO2,NH3和NO具有良好的选择性。相关的电子结构被进一步计算,Bader电荷数值结果表明这三种气体分子吸附后与B-GDY表面间存在明显的电荷转移,且掺杂体系的恢复时间较短,说明B-GDY适合作为检测NO2,NO和NH3气体的传感器基底材料。在B-GDY表面添加不同数量的H2O分子来模拟一定湿度的环境,发现随着湿度逐渐增大,B-GDY对这三种特定气体的选择性逐渐增强。也考虑施加外加电场来调谐B-GDY对NO2,NO和NH3的气体传感性能,计算结果揭示了电场大小和方向均能影响基底材料对这些特定气体的选择性,且能改变B-GDY的带隙,这也说明外加电场是一种有效的调谐气体传感性能的方法。我们的研究结果有利于理解GDY材料的相关电子性质,并考虑了该材料在电催化还原和气体传感方面的潜在应用,为将来的进一步实验研究提供了合理的理论指导与机理证明。