近些年来,多孔碳纳米材料备受人们关注,其应用极为广泛。在本论文中,我们综述了碳纳米多孔材料在氢气储存、Li/Na离子电池和水脱盐性能方面的研究进展,并理论探索了几个典型碳纳米多孔结构在这些方面的应用。计算模拟主要基于密度泛函理论、第一性原理分子动力学、经典分子动力学和巨正则蒙特卡洛方法。这些理论方法以及所使用的软件,将逐一详细介绍。氢能是一种可再生的清洁能源,而氢气的储存是氢能利用的关键问题之一,需要寻找合适的材料来进行安全高效储存。为此,我们构建了通过有机官能团支撑的硼掺杂石墨烯三维结构。通过密度泛函理论计算和第一性原理分子动力学模拟,论证了该结构经过金属Li修饰之后仍然能够显示很好的结构稳定性和热稳定性。吸附的金属Li原子的平均结合能是2.64 eV,远大于金属Li的粘合能1.60 eV,这将有利于在实验中避免金属Li的团聚,从而在主体材料中形成有效的原子形式掺杂。巨正则蒙特卡洛模拟表明,在室温298 K、压强100 bar时,金属Li修饰、硼掺杂的三维石墨烯结构的储氢性能可以达到5.9 wt%的质量比和52.6 g/L的体积比,这是一种优良的氢气储存材料。锂离子电池和钠离子电池因其可移植性、可重复性和高能源效率等方面的优势,成为当今充电电池领域研究最广泛的对象。寻找经济高效的电极材料来满足实际需要是目前离子电池利用的关键问题。本论文以多孔C2N材料为锂离子电池和钠离子电池的电极材料,基于密度泛函理论和第一性原理分子动力学方法,研究了 Li和Na金属原子在C2N结构上的吸附式存储,证明了饱和吸附Li10@C2N和Na9@C2N结构的热力学稳定性,并通过分波态密度和差分电荷密度分析阐明了Li和Na的吸附机理。计算结果表明,饱和吸附时Li和Na的平均结合能分别为2.54和1.95 eV,均远大于它们的粘合能1.60和1.14 eV,能够有效的避免金属团聚现象,有利于金属Li和Na在电极材料中的均匀分布和自由扩散。经计算,Li10@C2N和Na9@C2N结构的能量密度可以高达1174.1和1056.7 mAh/g。随着经济的发展和人口的增加,世界淡水需求增加和储量短缺之间的矛盾更加突出。目前,海水脱盐被认为是最直接、最快速获得淡水资源的途径之一。我们研究了-H和-OH两种官能团修饰的3种孔隙大小的石墨烯薄膜作为渗透膜分离H20/NaCl,期望获得纯净水。理论模拟考虑了外部不同压力对水脱盐性能的影响,计算了水分子平均力势用以分析不同官能团修饰孔隙的水脱盐机理。在室温298 K,外部压力200 MPa时,-H和-OH基修饰的石墨烯薄膜可以实现100%脱盐,水分子渗透通量可以达到36.9 × 104 kg·m-2·h-1和40.6 × 104 kg·m-2·h-1,能够实现快速获得纯净水的目标。此外,随机碳分子筛由单一或者多种结构单元随机组成,其结构可调,孔隙和比表面积多变,引起了科研工作者的广泛兴趣和关注。本文研究了以六苯并苯为基本结构单元的随机碳分子筛作为渗透薄膜进行水脱盐,深入探索了分子筛取向效应、密度效应、柔性效应以及不同结构单元对水脱盐性能的影响,并利用水分子在膜体系中的密度分布以及平均力势函数分析了碳分子筛的水脱盐机理。模拟结果显示,在298 K、200 MPa时,密度为0.9 g/cc的柔性六苯并苯碳分子筛能够实现100%水脱盐,水通量高达198×104kg·m-2·h-1,因此,碳分子筛是一种理想的水脱盐渗透膜。