环境污染物治理和新能源开发急需绿色新材料的支撑。二氧化锰（MnO2）作为环境友好型、储量丰富的传统金属氧化物,纳米化后其催化活性得到显著提高,能够有效去除水溶液中重金属有毒物质锑（Antimony,简写Sb）和砷（Arsenic,简写As）。然而,纳米化MnO2的结构调控机制,及其去除水溶液中锑和砷的精细反应过程目前尚未清晰。因此本文以α-MnO2纳米棒为研究对象,采用一种新的α-MnO2微表面纳米结构模型,基于DFT+U方法,探索α-MnO2纳米棒的化学活性与表面晶面指数之间的相互关系,研究水溶液中α-MnO2纳米棒催化降解锑、砷离子的精细反应过程,得到如下研究结果:（1）对于低指数（100）和（110）晶面,α-MnO2的块体表面、纳米微表面与纳米棒的表面能变化趋势为:Esurface（100）<Esurface（110）<Esurface纳米结构<Esurface[（100×110）],且符合函数为Y=1.0401 Jm-2+N×A,其中N表示不同纳米棒和微表面模型的量化参数,A为组成晶面族（100）和（110）的平均表面能,即0.608Jm-2。进一步分析,可以发现这种量化现象来源于电子结构的键合强度和原子电荷之间差异,即α-MnO2纳米棒和微表面的表面能随∑(ΔQA-B)~2/s和∑（ΔQA）~2/s的增加而直线增加,而不是几何结构的尺寸变化特征。（2）对于高指数晶面,α-MnO2块体模型的表面能变化趋势是Esurface（112）>Esurface（111）>Esurface（211）,微表面纳米模型的表面能变化趋势是Esurface[（112×211）]>Esurface[（110×211）]>Esurface[（100×211）]>Esurface[（111×211）]>Esurface[（112×112）]>Esurface[（111×112）]。微表面模型的高表面能来源于其价电子区域具有更多的形变电荷密度峰和分子轨道,因此表现出比块体表面更多的活性位点。态密度分析表明,p、d轨道上的强杂化作用是高指数晶面微表面活性位点具有优异化学活性的来源。（3）α-MnO2去除Sb（OH）3分子的过程是放热反应和化学吸附。有别于传统块体表面MnO2（100）或MnO2（110）模型,MnO2[（100×110）]微表面模型更能精准反映水溶液中锑离子的催化反应亚结构演变过程:Sb（OH）3+H2O→Sb（OH）4-+H+的精细化学反应,即出现过渡态Sb（OH）4-分子结构,这与实验结果一致。进一步对比Sb（OH）4-与Sb（OH）6-分子的几何结构和电子态密度,发现它们的电子结构如键长、成键峰的二面角和轨道能量非常相似,因此可以推断Sb（OH）4-是Sb（OH）6-分子的前躯体结构,而水溶液中Sb离子的催化过程存在:Sb（OH）3→Sb（OH）4-→Sb（OH）6-的亚反应过程。（4）As（OH）3分子的催化模拟研究显示,随着As离子浓度的增加,吸附能呈下降趋势,这意味着As（OH）3吸附过程是一个放热反应。电子结构研究显示导致As（OH）3吸附能力随浓度变化的原因在于α-MnO2纳米表面活性的静电势不同。因此在水溶液中,α-MnO2纳米棒去除As（OH）3分子存在两种可能的催化方式:一、As分子低浓度时,发生As（OH）3→As（OH）6-的一步化学催化反应,同时表面Mn原子容易以Mn（OH）2+形式溶解;二、As分子高浓度时,发生As（OH）3→As（OH）4→As（OH）6-的多步催化化学反应。因为As（OH）4分子是亚稳态的,且只存在于一些特殊的活性位点,所以砷离子去除反应主要以第一种方式为主。