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氢与化石能源不同,是一种储量丰富、清洁的、可循环的绿色能源。然而,实现氢能经济的一个主要障碍是缺少高效安全的储氢方式。最近的研究表明碳基纳米材料可以储存分子形式的氢。但是,这些纳米材料与氢分子结合较弱,在温度很低的条件下就把氢气释放了。在本文中,利用第一性原理方法,研究了金属修饰的纳米材料和Li20团簇的储氢性能。结果表明这些纳米材料与氢分子的结合能适中,满足常温下可逆储氢的需求。储氢的质量比达到了美国能源部的目标,表明这些材料是极具潜力的储氢材料。第一章,介绍了储氢材料的研究现状,材料包括碳基纳米材料、硼基纳米材料和硼氮纳米材料等。第二章,介绍了理论计算方法。第三章,研究了金属修饰的纳米材料的储氢性能,包括Li和Ca共修饰的碳氮纳米材料、Li修饰的硼单层结构以及金属修饰的BC2N单层结构。结果表明金属原子与上述纳米材料结合较强,不会产生聚合现象。纳米材料被金属修饰以后可以使得氢分子的吸附能显著增加。这些体系与氢分子的作用主要来自于轨道耦合与极化作用,金属修饰的这些纳米材料储存分子氢的质量密度可达7.69～10.0wt%,吸附能也比较合适。第四章,研究了Ca修饰的石墨炔纳米管的储氢性能。结果表明Ca可以稳定的吸附在石墨炔纳米管表面的乙炔键构成的环的中心,没有形成团簇。极化原理和轨道耦合原理都对吸附氢有贡献,吸附能在0.13～0.33eV/H2之间,与纳米管的半径几乎无关。由于位阻作用,每个Ca原子可以吸附4个H2分子。储氢的质量比在7.44～8.96wt%之间,表明Ca修饰的石墨炔纳米管可以作为常温下可逆储氢的理想材料。第五章,研究了Li修饰的硼氮原子链的储氢性能。H2分子与硼氮原子链之间的作用比较弱,不能在常温下利用。用Li修饰原子链末端的N原子以后,储氢的质量密度和吸附能可以得到显著提高。Li与硼氮原子链之间的结合能比Li晶体的内聚能大,因此Li原子修饰硼氮原子链以后不会形成团簇。在吸附氢中,范德瓦尔斯力起着重要的作用。在原子链末端的每个N原子用两个Li修饰的体系中,储氢的质量比可达29.2wt%。第六章,研究了(Li20)。团簇的几何结构、电子结构以及团簇的储氢性能。结果表明对于给定的n,团簇中Li-O键的数目最多的结构是团簇的基态结构。由于Li向O原子转移了电荷,所以Li-O键具有了极性。每个(Li20)n(n=1-6)团簇可以吸附12-24个H2分子,吸附能在0.19-0.22eV/H2之间,满足可逆储氢的要求。