矿热炉是一种重要的工业窑炉,可用于生产电石、冶炼钨铁、锰铁等合金。根据设备开放程度及工艺条件主要为半密闭炉及密闭炉,在密闭炉中生产电石或合金等过程中会产生大量含有可燃气体的尾气,尾气中含有75%⁹0%的CO气体,同时还含有有毒的AsH₃、PH₃气体杂质成分,AsH₃、PH₃气体的存在不仅会对人的身体健康造成损害,同时也会造成以CO为原料的后续相关化工过程的催化剂中毒而失活,因此,去除矿热炉尾气中的AsH₃及PH₃显得十分必要,去除AsH₃及PH₃的主要方法为催化氧化法,但由于它们的毒性等特性使得深入研究其催化机理十分复杂和困难,随着计算化学的发展,借助计算化学手段设计催化剂、并研究其催化剂机理是一种行之有效的手段。本文利用密度泛函理论方法,首先设计了七种过渡金属（Ti,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag）掺杂石墨烯催化剂用于吸附AsH₃气体,其次通过比较筛选出吸附效果较好的两种催化剂Ni,Cu掺杂石墨烯,随后研究了AsH₃分子在Ni,Cu掺杂石墨烯表面的分解过程,并阐明其分解机理,之后研究了水分子团簇对AsH₃氧化反应的影响及机理,最后,以对比为目的,研究了PH₃气体在七种过渡金属（Ti,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag）掺杂石墨烯表面吸附时的吸附能、电子结构,随后研究了水分子团簇对PH₃氧化反应的影响及机理。首先,构建了石墨烯及七种过渡金属（Ti,Mn,Fe,Co,Ni,Ag,Cu）掺杂石墨烯用于吸附AsH₃分子及CO分子,研究发现添加过渡金属能够不同程度的增强石墨烯吸附AsH₃及CO分子的能力,通过吸附能、电荷转移数、HOMO-LUMO、态密度的分析了解其内在电子结构。吸附能的结果表明Ag掺杂石墨烯对AsH₃有最高的吸附能力,吸附能为-1.77 eV,Cu掺杂石墨烯对CO分子有最高的吸附能力,吸附能为-2.02 eV,而Ni掺杂石墨烯对AsH₃分子有更高的选择性;最后,考察了AsH₃,CO分子在Ni掺杂石墨烯表面的共吸附,研究发现AsH₃及CO分子作为电子供体,在Ni掺杂石墨烯表面的吸附为相同的模式,因此它们在Ni掺杂石墨烯表面是竞争吸附的关系,在此基础上为还原气氛CO下AsH₃的催化氧化催化剂的设计奠定了良好基础。之后,以对比为目的,考察了PH₃分子在石墨烯及七种过渡金属（Ti,Mn,Fe,Co,Ni,Ag,Cu）掺杂石墨烯表面的吸附,研究了它们对PH₃的吸附能、吸附前后的电子结构变化,包括差分电荷密度图、态密度、电荷转移数的分析。结果显示出Ag掺杂石墨烯对PH₃有最大的吸附能及PH₃电荷转移数,分别为-1.83eV及0.439|e|,因Ni,Ag掺杂石墨烯对PH₃有比对CO更高的吸附能及电荷转移数说明对PH₃更具有选择性。其次,研究了AsH₃在Ni,Cu掺杂石墨烯表面的分解反应及机理,通过反应能垒、吸附系统的HOMO-LUMO、差分电荷密度（EDD）、Mulliken原子电荷分析,预测了可能的反应位点、反应路径及机理。结果表明,无论是在PG-Ni表面还是在PG-Cu表面,第三步的脱氢反应为反应控速步骤,反应能垒分别为2.01 eV及1.72 eV。AsH₃在Cu掺杂石墨烯表面比PG-Ni表面更容易分解,As与Ni,Cu形成As-Ni键及As-Cu键导致催化剂失活,因此,Cu掺杂石墨烯比Ni掺杂石墨烯更容易产生催化剂中毒。再次,以密度泛函理论为基础研究得到了AsH₃+O₂+nH₂O（n=0-5）氧化反应的两种反应机理。第一种反应机理是在反应AsH₃+O₂+H₂O和AsH₃+O₂+5H₂O中,水分子处在非反应区,无论一个水分子或五个水分子团簇的添加都能降低AsH₃氧化反应的反应能垒,但一个水分子的添加显示出比5个水分子团簇更好的催化性能,将AsH₃氧化反应的反应能垒降低了10.70 kcal/mol。第二种反应机理是在水分子团簇参与的反应AsH₃+O₂+nH₂O（n=2-4）中,氧化过程包含了氧气进攻和质子转移的同步过程。总的来说,针对氧化反应的第一步反应,反应能垒顺序为0H₂O>（H₂O）₅>（H₂O）₄>（H₂O）₂>（H₂O）₃>H₂O。由此可见,合适数量的水分子团簇的添加可以促进AsH₃氧化反应的进行,而更多的添加反而会阻碍这一趋势。最后,研究了PH₃在水分子团簇中的氧化反应机理,计算了水分子数n=0-6时氧化反应的反应路径及机理,并比较了反应能垒大小,确定了对氧化反应影响最大的水分子团簇数目。研究发现,反应通过PH₃-O₂与水分子团簇的碰撞开始,当体系中有水分子团簇（H₂O）_n（n=2-6）加入时,对第一步反应的反应能垒都有不同程度的降低,当四个水分子添加到系统中时,反应具有最低的反应能垒,将PH₃+O₂的反应能垒29.04 kcal/mol降低到12.40 kcal/mol。总的来说,对第一步反应的反应能垒大小顺序为:0H₂O>（H₂O）₅>（H₂O）₂>（H₂O）₆>（H₂O）₃>（H₂O）₄。通过采用自然轨道分析（NBO）及反应动力学分析发现,四个水分子的添加能够最大程度的促进反应的进行。