石墨炔是一种新型碳的同素异形体,由苯环和炔键组合形成,具有丰富的碳化学键、优越的化学稳定性、宽面间距以及大的共轭体系。2010年,李玉良课题组在铜片表面大面积合成高分子石墨炔薄膜,开辟了石墨炔这一重要的研究领域,同时也引发了有关石墨炔理论的研究热潮。由于碳原子的组成不同,石墨炔可以根据其结构和周期分为多种形式。目前许多不同构型的石墨炔已经通过实验成功制备并进行了深入的研究。与富勒烯和石墨烯等传统碳材料相比,这种特殊的杂化网络结构具有更优异的电子结构和性能,并且在电子、催化、光电器件、半导体和新能源等领域表现出重要的应用前景。石墨炔在掺杂氮原子之后能够产生大量的杂原子缺陷和活性位点,可以用作氧还原反应,具有很好的催化性能。碳材料氧还原的催化活性主要依赖于掺杂原子的形式,而原子掺杂位置的不同会产生许多不同的掺杂结构,并且会对各种掺杂结构的性能有很大影响。通过实验很难从原位上探测这些不同的掺杂类型,而通过理论模拟的方法则可以对掺杂石墨炔的分子结构进行鉴别和表征。在表面化学分析方面,X射线光谱是非常重要且应用最为广泛的光谱技术之一。利用核轨道电子激发和去激发的能量分布,X射线光谱可以有效测量元素的组成、掺杂元素构成、以及每种元素的化学态和电子态等。本文所涉及到的X射线光谱有X射线光电子能谱和近边X射线吸收精细结构谱。X射线光电子能谱对应的是1s轨道的电子被电离到真空的状态,这可以为核轨道提供信息。由于其对元素局域化学环境具有一定的敏感性,因此可以鉴别不同掺杂类型的构型。近边X射线吸收精细结构谱对应的是1s轨道的电子激发到未占据轨道的状态,这可以为未占据轨道提供信息。近边X射线吸收精细结构谱对不同掺杂结构的局域化学环境具有明显的依赖性,可以有效探测分子体系的电子和化学结构。在本研究工作中,我们在密度泛函理论的基础上结合多种近似方法理论模拟了氮、氧掺杂石墨炔局域结构的X射线光电子能谱和近边X射线吸收精细结构谱。通过对这两种光谱的理论模拟,我们分别对两种不同掺杂石墨炔的构型进行了理论表征。本论文的内容和结论主要包括以下两点:1.氮掺杂石墨炔局域结构的X射线谱氮掺杂石墨炔有五种典型的结构,我们理论模拟了这五种不同构型的N 1s的X射线光电子能谱和近边X射线吸收精细结构谱。通过与实验X射线光电子能谱的对比,我们得到了不同氮掺杂类型的相对含量,并进一步用于近边X射线吸收精细结构谱的模拟。在本研究中,我们对实验谱主要的特征峰进行了重新标定,并对不同温度下谱峰的能量位置和强度的改变进行了解释和说明。近边X射线吸收精细结构谱表现出对五种掺杂构型局域结构的强烈依赖性,因此,X射线吸收谱可以用来鉴别主要的氮掺杂石墨炔构型。本文中,我们还计算了五种掺杂构型的有效电荷和焓变,并分析了几种构型的氧还原反应催化活性。2.氧掺杂石墨炔局域结构的X射线谱基于第一性原理的方法,我们理论模拟了七种氧掺杂石墨炔的C和O的1s X射线光电子能谱和近边X射线吸收精细结构谱。X射线光电子能谱粗略地表现出对七种氧掺杂局域结构的依赖性,因此不能充分地用于七种掺杂结构的鉴别。然而与X射线光电子能谱相比,七种氧掺杂石墨炔体系的近边X射线吸收精细结构谱表现出对激发原子局域结构的强烈依赖性。在二维掺杂碳材料的吸收谱中,精确的结构-光谱关系可以用来鉴别主要的掺杂形式。每种构型的X射线吸收精细结构谱中所表现出的几个重要的光谱特征可以有效地用于鉴别七种氧掺杂局域结构。本论文一共包含六章内容:第一章是前言部分,主要讲述了氮、氧掺杂石墨炔X射线谱的前景;第二章主要讲述研究工作中涉及的量子化学基础理论;第三章主要介绍了有关X射线谱的理论;第四章主要介绍氮掺杂石墨炔局域结构的X射线谱理论表征;第五章主要介绍氧掺杂石墨炔局域结构的X射线谱理论表征;第六章内容是对本论文主要工作的总结与展望。