CO2作为温室气体是加剧全球变暖现象的“罪魁祸首”,带来了诸多环境问题。为了减缓大气中CO2浓度的增长速度,积极响应我国倡导的碳中和政策,研究新型含碳气体富集技术就变得至关重要。其中通过控制外加电场来捕获、存储和分离CO2被证明是一种回收CO2行之有效的方法。利用电催化CO2还原（CRR）技术,将CO2转化为具有高附加值的化工产品,也已经有许多实验和计算上的研究。研究CO2的捕获与再利用技术有利于可再生能源的持续发展和环境保护,对资源的可持续利用具有重要战略意义。其中电催化剂的选择成了制约CO2转化的一个关键条件。随着计算资源的提升与理论计算模拟在催化剂设计方面的应用,基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）现在已经被广大研究者采用,优势在于在实验前期通过理论计算的方式预测新型催化剂的性能,极大地节省了实验成本并提高了科研工作者的安全性。基于此本文针对CO2捕获与还原,利用密度泛函理论研究了四种捕获CO2的二维（2D）层状材料以及一种用于CO2还原的基于二维材料单原子电催化剂（SACs）:（1）利用粒子群优化（PSO）晶体结构预测方法和第一性原理密度泛函理论,研究了二维材料BimCn,得到了三种结构稳定的二维碳化铋材料,即Bi C-α、Bi2C-α和Bi2C-β单分子层。内聚能、玻恩准则、第一性原理分子动力学（AIMD）模拟和声子光谱的计算结果表明这三种二维材料均具有良好的稳定性,且Bi C-α单分子膜具有类似于β相铋的石墨烯蜂窝状结构。考虑自旋轨道耦合（SOC）效应,杂化泛函（HSE06）计算结果表明Bi C-α和Bi2C-β单层膜具有金属性,Bi2C-α具有0.40 e V的直接带隙。CO2在三种材料上的吸附测试结果表明Bi C-α和Bi2C–α单层有三个稳定的吸附位点,分别是C2,T3和T4,吸附能分别为-0.57,-0.51和-0.81 e V。对二氧化碳吸附分子的活化能力排序分别是T4大于T3大于C2。（2）通过DFT研究了二维金属性材料Si P2负载单过渡金属原子作为CRR电催化剂的可行性。计算结果表明Si P2材料是一种金属性材料,具有良好的导电性。共聚能、机械剪切模量、AIMD和声子谱计算结果表明Si P2材料结构稳定,且具有结构上的各向异性。纯Si P2基底上CO2无法被吸附,过渡金属原子（Sc-Cu）修饰Si P2后我们以分子动力学稳定、金属原子迁移势垒高、掺杂金属后的材料带隙适合做电催化剂为三个约束条件成功筛选出能高效催化CO2的V@Si P2材料。V在Si P2表面的吸附能高达-4.04 e V,掺杂之后体系的带隙为0.42 e V,作为CO2RR催化剂具有优良的表现,且分子动力学和热力学上均很稳定。V@Si P2的还原产物为HCOOH,潜在的决速步（PDS）为*OCHOH→*+HCOOH,极限电位的大小为-0.5 V（vs RHE）,过电位的大小为0.75 V（vs RHE）。（3）利用DFT研究了BC3纳米片在外加电场下捕获CO2的能力和分离提纯CO2/H2/CH4方面的应用。BC3纳米片是一种早就在实验室中成功合成出的超硬材料。结果表明,在0.0060-0.0065 a.u.电场范围可以实现CO2从物理吸附到化学吸附的转变。可通过电场强度为0.0065 a.u的外电场的开启/关闭来精确控制CO2的吸附/解吸,这个过程是可逆的。此外BC3对CO2/H2/CH4的选择性吸附也可用于实现不同电场下的气体分离和净化。（4）利用PSO方法成功预测了一种新型的二维单层双磷化硅化合物:Si P2。内聚能、力学参数、分子动力学模拟和正则声子谱计算的结果证明结构稳定。应变对Si P2单分子层能带结构和光学特性的有较大影响。Si P2是一种性能优异的CO2捕获材料,可以用来有效活化与捕获CO2,吸附能达到-0.45 e V。在9.5%应变比的情况下,Si P2的导电性能从半导体转变到金属性。（5）通过DFT计算研究了CO2/CH4/H2在二维Al2C材料表面的吸附和分离行为。垂直于Al2C材料表面的外加电场使得CO2的吸附状态逐渐转变为化学吸附作用（吸附能量变化从-0.29到-3.61 e V）。负向电场对CO2的吸附没有影响。外电场可以活化吸附态CO2中的C=O键（在0～0.005 a.u的外加电场作用下,活化率最高可达15%）。只有在0.0033 a.u的外加电场和525K/675K以上的温度下,以下两种情况:（a）CO2单独吸附,（b）CO2/CH4/H2混合的吸附/分离反应才能自发进行。在0.003～0.0033 a.u的电场强度作用下,通过开关电场可以很容易地进行控制Al2C纳米片对CO2的吸附/解吸,这两个过程均为放热反应。单位面积Al2C材料在电场下捕获CO2的能力随CO2浓度的增加而降低,但对CO2/CH4/H2仍具有有效的气体分离性能,可分离出CO2。