由于工业生产消耗大量的化石能源,导致空气中二氧化碳含量超标,这不仅造成了严重的环境问题,同时还引发了能源危机。二氧化碳作为安全、可再生的C1能源,将CO2还原后,一方面可降低温室气体量,同时实现能源循环使用。目前采用的CO2催化剂主要是贵金属型的,由于其成本高和稀缺性等问题导致迫切需要研发可替代的催化剂。前族过渡金属由于其优秀电子特性可以通过调控配体实现对二氧化碳的高效还原;同时,近年的研究发现低价锕系元素在能源领域具有一定的优势。因此,在本论文中采用相对论密度泛函理论,研究多种氮配位的钪族和铀配合物的结构及其对CO2催化反应。首先,理论设计和计算了硅基氮(LMe和L)配合物[Mm(LMe)3]n和[MmL3]n（M=Sc、Y、La和Ac;m=III和II;n=0和-1）,揭示金属与N原子形成弱的配位单键。化学键拓扑分析得到金属与二氧化碳同样以配位键发生化学耦合作用。催化剂吸附CO2反应需要克服很小的自由能ΔrG（0.03～0.13 e V）。随后的加氢反应和释放CO的均为放热过程。热力学和动力学计算表明,金属配合物的催化能力从Sc→Y→La→Ac逐渐增强。依据这些反应,探索了低价铀配合物对系列小分子的活化作用,得到铀和小分子间化学键强度顺序为NO>CO>N2>CO2。其次,采用氮杂卟啉配体（Pz）配位钪族金属和铀构建系列配合物[MPz]n（M=Sc、Y、La、Ac和U;n=0和+1）。结构优化发现II价Y、La、Ac和U配合物吸附CO2呈现两种配位构型:一个CO2氧配位到金属上,分子相对于配合物平面呈一定倾斜角;另一种为CO2的O和C同时配位到金属上。前者中,CO2部分几乎没有电子密度分布,而后者有0.533～0.641电子流向配体和二氧化碳。沿反应路径,发现配体自旋密度变化为0.000～1.949,表明在反应过程中配体起到了主要作用。在加H还原过程,随着反应进行,CO2中C与O原子的键级由2.16变为1.30,表明二氧化碳趋于发生断裂,生成CO和H2O。最后,采用g-C3N4（CN）分子单元配位金属设计[Mn（CN）]（M=Sc、Y、La、Ac和U;n=II和III）。计算三价配合物吸附二氧化碳反应ΔrG在-0.48～-0.66 e V范围,而二价配合物的相对较正,在-0.21～-0.47 e V直接。反应能均为负值,表明在热力学上的可行性,且三价配合物对CO2吸附更为有利。