在国家需求和产业升级的新形势下,大力发展绿色化工技术是构建现代化经济体系的必然要求,是解决环境污染问题的根本之策。界面调控与强化是发展绿色化工的重要途径,并逐渐成为现代化工活跃前沿。目前人们对纳微界面特性及作用机理的理解还不够深入,难点在于缺定量研究模型。针对这一挑战,本论文瞄准纳微界面体系,采用量子和统计(或二者耦合)密度泛函理论(DFT),从分子水平层面研究纳微界面体系分子扩散、反应与表界面属性的相互关系,进而获得调控方法,为实现新型化工过程扩散/反应强化提供微观机制和理论依据。论文的主要内容如下:(1)铝离子电池是新能源材料开发的活跃前沿,其性能受制于离子在能源材料中嵌入、扩散性能。目前,铝离子在不同类型新能源材料中的扩散机制尚不明确。本文针对铝离子在TiO2材料中的嵌入/脱出,围绕不同晶型(金红石TiO2、锐钛矿TiO2和TiO2(B)),通过采用第一性原理DFT计算来研究铝离子嵌入TiO2材料中结构变化、稳定的嵌入位点、嵌入电压、离子扩散路径和能垒,从原子尺度分析Ti02材料的电化学性能与铝离子嵌入过程之间的联系,并据此提出可能的改性方法,为新型水系铝离子电池的宿主材料开发及改性设计提供理论参考。(2)提高反应的选择性和转化率是发展绿色化学的重要内容。大部分慢反应都在溶液中发生,溶剂对于反应速率、平衡甚至反应机理都有重要的影响。目前对良性溶剂的选择主要基于经验或试错,能够揭示溶剂效应机理、提供溶剂筛选的理论模型依然缺乏。针对这一挑战,本文采用量子力学结合统计力学模型,耦合不同描述精度的量子密度泛函理论和统计密度泛函理论,构建多尺度反应密度泛函理论(RxDFT),其中本征反应用量子密度泛函理论描述,而反应介质响应则用统计密度泛函理论研究。两个尺度之间的信息传递基于反应体系与溶剂的微观相互作用。随后反应密度泛函理论进一步拓展应用到限域体系、界面体系中水相反应和有机相反应,成功阐述了溶剂对几类化学反应的影响机理。多尺度反应密度泛函理论的发展,为良性反应溶剂选择和溶剂化效应机理研究提供了可行模型,为材料层次介尺度研究提供了成功案例。(3)界面体系中分子扩散与反应耦合是提高界面反应效率的关键,目前尚缺乏合适的微观模型来描述界面反应—扩散耦合机制。基于此,本文进一步拓展了反应密度泛函理论模型,通过耦合动态密度泛函理论、分子反应碰撞理论和量子密度泛函理论,发展了多尺度的动态反应密度泛函理论(DRxDFT),提出表界面体系反应—传递耦合研究新方法。应用动态反应密度泛函理论,初步研究了不可逆双分子模型反应A+2B→2C,并系统探索了界面吸附能力、分子扩散速度、温度、反应物初始浓度、反应能垒等因素对于反应转化率的影响,归纳出界面反应机理的一些共性与特性,从而为界面反应过程优化和催化剂的设计提供支持。本文的创新点可分为三个方面:研究了铝离子在不同晶型TiO2材料中的扩散动力学,从电化学性能方面首次评估了不同晶型作为铝离子电池电极材料的潜能;发展了多尺度反应密度泛函理论,并拓展应用到水相、有机相、限域反应和界面反应中,揭示了液相反应机理和溶剂化效应;进一步发展了动态反应密度泛函理论,为界面反应体系中分子扩散—反应耦合提供微观理论模型,并初步研究了界面吸附能力、分子扩散能力、温度、反应物初始浓度、反应能垒等反应条件对于反应转化率的影响,归纳出界面反应机理的一些共性与特性。