本文的工作集中在对纳米尺寸氢化锆及其过渡金属(钴、铜和镍)掺杂结构的研究,以分析其在储氢方面的应用潜力。化石能源是当前世界能源结构的主要组成部分,不仅因为其具有丰富的储量,也因为它们可以为几乎所有的能源利用过程提供可行和廉价的解决方案。但是,由于化石能源对环境的危害以及不可再生的特性,人们必须寻找替代化石能源的新能源,并力求满足化石能源的这些优势。从这个角度出发,氢能被认为是最可行的能源,因为氢能具有可持续利用的优点,并且可以提供比化石能源更多的能量。但是,为了满足氢能实际应用所需的目标,仍然有一些障碍需要克服,氢能的储存便是其中一条。在储氢方面,人们已经开发了若干方法,但是其中一些方法被证明没有很强的实用价值,相对而言,物理吸附和化学吸附技术在氢能储存过程中具有很大的发展潜力。在这篇论文中,我们研究了氢化锆纳米团簇中通过氢原子与锆原子成键所显示出的储氢能力,并分析了纳米团簇的储氢性质。与此同时,我们还研究了过渡金属(钴、铜和镍)掺杂的氢化锆纳米团簇,分析了其性质,并与未掺杂的团簇性能进行对比研究。对氢化锆纳米团簇,研究了包含15至72个原子的不同尺寸的纳米团簇,即(ZrH2)n(n=5-24)。我们通过计算观察了这些尺寸结构的性质,比较分析了彼此相关的尺寸的纳米团簇的行为。同样地,对于过渡金属钴、铜和镍掺杂的氢化锆纳米团簇(Zrn-1H2n)(n=5,11,19,24),我们计算了团簇的性质,并观测和比较了每种掺杂原子对氢化锆纳米团簇的影响。对氢化锆(ZrH2)n(n=5-24)纳米团簇的研究,首先需要对初始结构进行优化,该结构通过人工蜂群算法生成,并利用密度泛函理论计算进行进一步优化。之后,利用密度泛函理论计算分析了团簇的结构性质和电子性质,并利用微扰弹性带(NEB)算法进行了过渡态计算。分析表明,(ZrH2)n纳米团簇中的Zr原子倾向于占据团簇边位,随着纳米团簇尺寸的增加,一部分原子也会占据内层位点,而大多数的H原子都解离到顶点位。此外,对于(ZrH2)n(n=5-24)纳米团簇,当团簇尺寸从(ZrH2)5增大到(ZrH2)21时形成能逐渐升高,显示出增强的稳定性,而n＞21时随着尺寸的增大形成能降低。分析(ZrH2)n团簇的电子态密度,可以发现Zr原子的4d和5s轨道与H原子的1s轨道在较宽的范围内重叠,意味着更强的化学键合作用,并随着团簇尺寸的增大而增强。其中,(ZrH2)21是最稳定的团簇,具有最小的形成能-7.278 eV,并且其中的Zr-H键强度最大。通过电子局域函数(ELF)分析,可以观察到在氢化锆团簇中,Zr与H原子之间存在离子键。另外,通过对Bader电荷和差分电荷密度的分析,我们发现电荷从Zr原子转移到H原子。我们对氢气分子在团簇表面的解离能做了进一步的研究,得到了H2在Zr原子吸附位上的最小和最大解离能垒。随后,我们分析了(ZrH2)5和(ZrH2)11团簇中的成键强度,用以理解键合强度与解离能之间的关系。对氢化锆中掺杂过渡金属钴、铜和镍的计算表明,掺杂可以调控氢化锆纳米团簇的性质,掺杂不同原子后团簇的性质发生了明显的变化。随着未掺杂的(ZrH2)n纳米团簇尺寸的增大,掺杂结构的形成能增加。相比于Cu和Ni掺杂的氢化锆团簇,Co掺杂的团簇形成能更高,并且对于n=11的纳米团簇,Co掺杂结构的形成能甚至高于未掺杂的(ZrH2)11。此外,掺杂Co和Ni的Zrn-1H2n团簇在n=24时具有相同的形成能。Co掺杂的Zrn-1H2n纳米团簇具有更高形成能的原因,是由于其轨道相互重叠的成分更高。对H的1s轨道,Zr的5s和4d轨道以及过渡金属Co、Cu和Ni的4s以及3d轨道的部分电子态密度的分析可知,重叠的范围与未掺杂的(ZrH2)n相似,但是过渡元素3d轨道增大了轨道重叠程度,导致其稳定性比未掺杂的(ZrH2)n纳米团簇更强。我们计算了过渡金属掺杂的(Zrn-1H2n)(n=5,11)团簇的解离能,对两种尺寸的团簇而言,解离能均有所改变,Co和Ni掺杂的(Zrn-1H2n)TM(n=5)纳米团簇中解离能降低,而Co和Cu掺杂的(Zrn-1H2n)TM(n=11)团簇解离能增加。