随着全球人口和经济的增长以及人类生活水平的提高,人们对能源的需求越来越高。对新能源和新材料的探索已经成为一个重要的课题。石墨烯是一种单原子厚度的平面二维(2D)碳材料,由于其优异的导电性和机械性能,引起了极大的研究兴趣。此外,石墨烯具有较高的理论表面积,是表面化学研究的一个理想系统。石墨烯具有优异的物理和化学特性,在纳米电子学,透明电极,光学器件和能储等领域具有潜在的应用前景。鉴于石墨烯的巨大成功,近年来人们研究了越来越多的二维纳米材料。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了硅烯、类石墨烯碳氮薄膜、单硫化合物纳米片、磷碳纳米片和导电的金属-有机框架结构等新型纳米材料在新能源领域中相关的应用的几个关键问题,包括:氢气存储、氢气氦气分离,碱金属离子电池和锂硫电池,阐明了材料的几何结构和电子性质对分子、原子吸附、分离与扩散性能影响的微观机制,为相关的实验研究提供了理论基础。主要研究内容和结论如下:1.作为一种新型的电化学储能系统,可充电碱金属(AM)离子电池受到高度关注。合适的负极材料是AM离子电池研制的关键。我们的理论研究表明:硫化锗纳米片(GSNS)可以作为碱金属离子电池高性能的负极材料。碱金属原子和GSNS之间强的相互作用可以有效地防止碱金属原子团聚,而且碱金属离子在GSNS上的扩散势垒较低,分别为0.236 eV(Li),0.090 eV(Na)和0.050 eV(K),表明GSNS负极具有较快的充/放电速率。AM/GSNS系统展现出低的平均电极势和高的碱金属比容量(Na比容量为512mAhg-1)。鉴于Na和K比Li的资源更丰富,上述研究结果为发展具有低成本高性能的Na和K离子电池负极材料的研究提供了重要的理论依据。2.目前的研究显示磷基复合物是一种潜在的AM离子电池负极材料,但是,由于磷基复合物多为半导体,导电性差,而且在电池循环过程中会发生快速的结构降解,严重阻碍它的实际应用。我们从理论上提出了一种新型碱金属离子电池负极材料:二维磷碳复合材料你-PC纳米片(PCM)。理论计算表明PCM上AM离子扩散能垒较低(66meV(Li),39meV(Na)和36meV(K)),因此具有高的充/放电速率。同时,PCM具有较高的AM离子容量,Li+,Na+和K+在PCM上的存储量分别高达 1247.1 mAh g-1(Li),623.5 mAh g-1(Na),和 623.5 mAh g-1(K)。更重要的是,PCM具有优异的力学性能(Cx=186.08J/m2(锯齿形方向)、Cy=123.16 J/m2(扶手椅方向)),可以有效地避免在充/放电过程中的结构退化。这些优异的特性为克服磷基复合物在AM离子电池中的缺点开辟了一个新的途径。3.尽管锂-硫(Li-S)电池具有很高的理论容量,但由于锂多硫化物(LiPSs)在电解液中的溶解和在电极之间的“穿梭效应”,导致的循环稳定性差等问题严重阻碍了其商业化应用。我们提出了一种新型的二维(2D)导电金属有机框架(MOF),即Cu-BHT,作为高性能Li-S电池的硫宿主材料。Cu-BHT的高导电性克服了大多数S基电极导电性差的问题。Cu-BHT和LiPSs之间强的相互作用极大地阻止了 LiPSs溶解到电解质中。另外,Li2S在Cu-BHT上的定向沉积提高了 LiPSs氧化还原反应速度。因此,用Cu-BHT作为Li-S电池“硫宿主”材料,能够有效抑制LiPSs的“穿梭效应”并全面提高电池的整体性能,为Li-S电池的开发提供的重要的理论依据。4.3He是新型核聚变材料。天然气中含有丰富的氦气。然而天然气中同时也包含多种气体分子,如:H2,N2,CO,CH4和惰性气体分子(Ne和Ar),等。由于He与H2的动力学直径非常接近,利用薄膜分离技术,大多数的薄膜都不能将He与H2等小分子分离开,更不能实现3He/4He同位素分离。在量子力学第一性原理计算的基础上,我们证明了类石墨烯碳氮(g-C3N4)薄膜可以高效实现从天然气中分离He气。在室温下,He气相对H2分子的选择性可高达107。更重要的是,g-C3N4薄膜也可以作为高效分离3He/4He的量子筛,在温度49K时,3He/4He的传输比为18。g-C3N4薄膜的“分子筛”和“量子筛”效应为实现3He有效分离提供了新的有效途径。5.氢能是清洁、廉价的新能源。然而,传统的储氢方法由于高能耗、安全等问题制约着氢能的商业化应用。寻找新型的储氢方法和材料是解决这一问题的关键。我们采用量子力学第一性原理方法,研究了Ca修饰的硅烯纳米结构的储氢性能,发现硅烯纳米片通过双边吸附Ca原子其质量储氢密度达到6.17 wt%,平均吸附能为0.265 eV/H2。这表明Ca修饰的硅烯可以作为常温下可逆储氢的理想材料。对于Ca修饰的硅烯纳米带其质量储氢密度可以提高到8.43 wt%,吸附能在0.182-0.269 eV/H2之间。在此基础上,我们预言:Ca修饰的硅烯纳米片/纳米带是一类潜在的储氢材料。