随着人们环保意识的不断增强,汞作为对全球性环境污染极其严重的有毒物质引起了人们的高度重视,如何减少汞污染物的生成及有效吸附将其污染性尽量控制在较小的范围内已成为科研的关注点之一。工业上,常用活性炭处理含汞的废气、废水、废渣等。活性炭的基本微晶是石墨,它是由无数个sp²杂化碳原子所构成的具有大π键的六角形平面网状微晶炭结构。同样,在石墨烯、碳纳米管新型纳米材料吸附剂中也存在着以sp²为主要杂化形式的离域大π键。这些低维碳纳米材料最重要的电子结构特征就是其广泛存在的离域π键,其与不同价态汞及其化合物非共价相互作用的关键问题之一是汞与π的相互作用。目前尚未见有关此领域系统的研究工作发表。本论文运用量子化学计算方法研究汞及其化合物与以离域π键体系为特征的活性炭石墨微晶、石墨烯、碳纳米管材料之间的Hg…π相互作用。全部研究工作主要分为两个部分:第一部分是通过建立相关小体系CCSD（T）/CBS标准值,对密度泛函理论（DFT）方法进行测试和评价,从而筛选出适合Hg…π相互作用的最佳DFT方法以应用于大体系结合能的计算。第二部分是采用二阶对称匹配微扰理论（SAPT2）方法对汞及其化合物与π键碳基纳米材料之间的相互作用能进行能量分解分析,进一步探讨汞与π相互作用的本质。为找到精确有效的DFT方法来计算Hg…π相互作用的结合能,我们首先选择了不同价态汞和苯、硼吖嗪基本单元的相互作用体系作为DFT方法的筛选。使用MP2/aug-cc-pVTZ方法优化几何结构,以高精度CCSD（T）/CBS的计算结果为标准值,选用多种应用较为广泛的DFT方法搭配def2-QZVP基组计算结合能与标准值比较。发现在众多密度泛函方法中ωB97M-V是适合于研究Hg…π相互作用最佳的DFT方法,并以该方法为基础计算了Hg⁰、Me₂Hg、HgCl₂、HgO不同价态汞与活性炭石墨微晶、石墨烯、碳纳米管等碳基纳米材料之间的结合能。计算结果表明:在活性炭石墨微晶、石墨烯、碳纳米管等低维碳纳米材料中,Hg⁰、Me₂Hg、HgCl₂、HgO与碳纳米管之间的相互作用最强,这与碳纳米管内壁四周对不同价态汞及其化合物的色散作用息息相关。而在这些π电子密度分布均匀的碳纳米材料与各种价态汞相互作用体系中,分子间的吸引作用主要依赖于色散作用,静电和诱导的贡献均未能起到主要作用,使得这些吸附材料的选择性不强,且吸附性能不高。这启发我们可以通过改变材料的均匀性或引入氧、氮、硫和卤素杂原子等方面对碳纳米材料进行修饰和改性,从而获得选择性好、吸附能力强,除汞效率高的汞吸附材料。从电子结构的层次揭示了汞与π的非共价相互作用的本质。本论文通过量子化学计算方法的理论探究,为实验工作者提供有力的参考信息,对相关领域的研究与开发具有重要价值。