硼烯作为二维材料家族的新成员,因其优异的力学、热学、电学等属性,有望成为继石墨烯之后的又一种“神奇纳米材料”。如高机械强度和柔韧性、各向异性金属行为和光学特性等,已使其成为高速、透明和柔性电子产品极具潜力的候选材料平台。目前,科研人员已经发展了一系列硼烯的合成方法,然而其结构的复杂性,特别是合成样品中的多相共存现象,严重制约着硼烯在新一代电子器件中的广泛应用硼烯的多相共存问题已经成为国际凝聚态物理及材料物理界公认的世界性难题之一。最近,美国西北大学的科研团队通过对硼烯进行氢钝化,制备了第一个稳定的二维硼结构——氢化硼烯。然而,对于在硼烯的成核、生长等过程中是否有氢的参与?如果有,氢的作用如何?其对硼烯多相共存的影响如何等这些关键科学问题,并没有明确的结论,亟需进一步的深入研究。另一方面,氢作为宇宙中含量最丰富、结构最简单的元素,在许多研究领域中都表现出非凡的物理化学特性,也是目前公认最重要的清洁能源材料之一。然而在催化领域,与d区甚至p区金属催化剂相比,位于s区的氢元素的催化作用往往在很大程度上被忽略。因此研究氢元素在特定反应过程（如硼烯生长）中的催化机制,具有不可替代的重要意义。本论文以二维硼烯的外延生长为例,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,证明s电子氢催化剂对硼烯在Ag（111）表面生长中的原子扩散、成核、以及大面积单晶硼烯的形成等关键过程的高效催化活性。我们的研究结果显示:首先,氢使得溶解到Ag（111）衬底亚表面的B单体形成BH分子并稳定吸附到衬底表面上,进而显著降低B原子在衬底表面的扩散势垒,明显促进B原子在衬底表面的成核。其次,H的引入可以显著调控硼烯不同晶体相之间费米面附近电子态的分布,进而有效降低硼烯多晶相的简并性,从而有利于低温下单晶硼烯的大面积生长。该论文的研究揭示了H元素作为高效、清洁和低成本催化剂的巨大潜力,并为单晶硼烯的低温、大面积生长提供重要的理论依据与实现方案。具体而言,该论文的章节内容概括如下:第一章,绪论,简单回顾了二维材料的发展历程,重点介绍了新型二维材料硼烯从理论预言到实验合成的发现过程,探讨了硼烯的电子结构特性、成键特征、多相共存现象以及应用领域等。第二章,理论与方法,给出了本论文计算模拟的理论基础和实现方法。第三章,研究了Ag（111）衬底上B原子的初始成核与硼烯的生长,揭示了H催化剂在硼烯初始成核阶段的关键作用。氢使得溶解到Ag（111）衬底亚表面的B单体形成BH分子并稳定吸附到衬底表面上,进而显著降低B原子在衬底表面的扩散势垒,并促进B原子在衬底表面的成核。第四章,研究了H的引入对硼烯不同晶体相之间费米面附近电子态分布的有效调控,进而降低硼烯多晶相的简并性,从而有利于低温下单晶硼烯的大面积生长。首先,以β12和χ3相为例,研究了对硼烯片段进行H钝化的最稳定吸附位点。接着分别对比研究了一系列B团簇中H钝化对两相稳定性的有效调控,如使得β12相明显稳定于χ3相。最后,我们研究了H有效降低硼烯多晶相简并性的根本物理机制,为低温下单晶硼烯的大面积生长提供重要的理论基础。第五章,总结全文展望未来。