随着全球气候的变暖,海平面的上升和严重的空气污染,寻找更加清洁、可持续发展的新能源成为一个紧迫的问题。CH4分子由于其丰富的自然资源和较低的CO2排放量,被认为是传统燃料汽油和煤炭的一种替代燃料,因此各种天然气吸附材料得到广泛的研究。石墨炔类材料具有较大的比表面积、丰富的化学键和孔位结构等特点,在天然气储存方面存在巨大的应用潜力。本文首先研究了金属原子修饰对石墨二炔（GDY）体系吸附CH4性能的影响。研究发现,Ti原子修饰可以明显提高GDY对CH4的吸附性能,最稳定的吸附位置是炔链大孔位。Ti原子修饰GDY体系最多能够吸附24个CH4分子,平均吸附能约为-0.223 eV,吸附量达到0.552 g g-1。CH4分子与基底之间除了 H的1s轨道和Ti的3d轨道的杂化作用,还包括静电相互作用。Ti原子处于独特的炔链大孔位,为CH4提供了充足的吸附空间和吸附位点;吸附后CH4表面的正电性降低,使CH4分子间的斥力影响减小,与带负电的GDY发生较强的静电相互作用,这些均有利于提高吸附量。为了改善GDY对CH4分子的吸附性能,采用了掺杂和金属修饰功能化改性来调控其电子结构。基于GDY体系,实验上成功制备出的氮掺杂石墨二炔（N-graphdiyne）材料,其孔隙增大、电化学性能增强。研究发现,Mn原子修饰可以明显提高N-graphdiyne对CH4的吸附性能,两个Mn原子双面修饰时可以吸附36个CH4分子,平均吸附能约为-0.158 eV,储存CH4分子的容量达到0.585 g g-1。Mn修饰N-graphdiyne体系吸附第1个CH4分子时,主要受到Mn原子的影响,与Mn之间存在较强的库仑相互作用、吸附能最大;之后随着CH4分子与Mn原子之间的距离增加,库仑相互作用减弱,CH4分子的吸附主要受到与基底N-graphdiyne之间范德瓦耳斯力的作用,吸附能减小。而N-graphdiyne体系由于N原子的掺杂增加了其吸附空间和吸附位点,相较于GDY吸附量得到提高,但吸附能减小。为了研究吸附性能与材料孔隙大小的关系、提高CH4分子的吸附能,本文最后研究了金属修饰石墨一炔（GY）体系吸附CH4分子的性能,GY是一种由sp和sp2杂化的碳原子构成的同素异形体,其孔隙小于GDY和N-graphdiyne。研究发现,Ti原子最稳定的吸附位点是苯环孔位。Ti修饰GY最多吸附14个CH4分子,吸附结构发生分层,平均吸附能约为-0.300 eV,吸附量达到0.484 g g-1。吸附第一层CH4分子时,主要受到了 Ti原子的影响,其与Ti之间存在较强的库仑相互作用;而第二层CH4分子由于距离Ti原子较远,此时分子与基底之间的相互作用主要是表面带正电的CH4分子与带负电的GY之间的静电相互作用以及CH4分子间的范德华作用。本征石墨炔类材料对CH4分子的吸附能较弱,金属原子修饰则可以很好的改善石墨炔类材料对CH4分子的吸附性能。研究发现Ti、Mn原子较好地改善了石墨炔类材料的电子结构,与CH4分子之间的相互作用增强,结构稳定。N原子掺杂则使得GDY内的C原子带正电、而N原子带有负电（-0.37e）,有利于表面带正电的CH4分子吸附在表面,进而增加了 CH4分子的吸附位点。同时CH4分子的吸附性能与二维吸附材料的孔隙大小密切相关,当孔隙较小时,分子间的相互作用增强、平均吸附能较大;而吸附量则相反,孔隙越大,吸附量越大。