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Fe3O4是高温水煤气变换反应中的一种性能良好的催化剂，在铁基费托合成反应中，水煤气变换反应是其中一个重要副反应。因此研究Fe3O4催化剂的催化性质成为包括费托合成和水煤气变换反应等多相催化领域研究的热点和重点。本论文主要研究Fe3O4的表面结构和催化特性。 第一章首先简要介绍了费托合成、水煤气变换反应及Fe3O4在费托合成和水煤气变换反应中的重要作用。其次分析了各种密度泛函理论方法对Fe3O4结构及性质的研究，为理论研究Fe3O4提供了理论依据。第三简单综述了各种气体小分子在Fe3O4表面吸附实验及理论研究现状，为进一步研究提供了方向。最后确定了研究课题及研究方案:利用DFT+U方法研究Fe3O4的表面稳定性以及表面的催化性质。 第二章简要概述了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。为了得到更好的交换相关能量泛函，密度泛函理论从最初的局域密度近似(LDA)，广义梯度近似(GGA)到自相互作用，DFT+U，杂化泛函等的发展。最近，动力学平均场和含时理论等也有了很大的发展。最后简单介绍密度泛函理论在催化领域的新发展，特别是基于密度泛函理论的程序包(VASP)。 第三章研究了Fe3O4表面结构的稳定性和电子结构。本部分采用密度泛函理论(DFT+U)的计算方法，系统研究了Fe3O4各个表面的稳定性和电子结构。在Fe3O4(111)表面一共有六个终结面，其中Fet。t1（表面暴露四面体铁原子）和Feoct2（表面暴露八面体铁原子）是最稳定的两个终结面，并且均具有金属特性。对于Fe3O4(110)表面，研究发现两个终结面都发生了强烈的扭曲:A终结面（表面暴露四面体铁）具有金属特性，B终结面（表面暴露四面体和八面体铁原子）具有半金属特性。对于Fe3O4(001)表面，A终结面（暴露四面体铁原子）和B终结面（暴露八面体铁原子）均具有半金属性质。根据计算的表面能得到的表面稳定性顺序(111)＞(001)＞(110)很好的解释了实验的观察和实验的多样性及复杂性。 第四章研究了分子态和解离态的H2O分子在Fe3O4(110)表面的吸附。研究发现在一个和两个H2O吸附时，在A终结面是分子态的，在B终结面是解离态的。对于三个和四个H2O分子的吸附，在A终结面上是混合分子态和解离态的吸附模式，在B终结面上是完全解离态和混合分子态和解离态的吸附模式共存。分步吸附能表明在两个终结面上单层的H2O吸附在热力学上是可行的。进一步分析表明表面铁原子和氢键对水分子的吸附能有贡献。我们利用投影态密度(PDOS)对H2O的吸附机理进行了分析。 第五章研究了单个Au原子在Fe3O4(111)的六个终结面的吸附。研究发现对于最稳定的吸附构型，金原子的吸附能和表面能关联的非常好，即最稳定的表面吸附能最小。我们还发现吸附的金原子在铁终结面被还原并带上负电荷，金原子在氧终结面上被氧化并带上正电荷，后者已经在实验上得到证实。转移的电荷与吸附能没有明显的关联。关于实验上观察到金纳米粒子在铁氧化物表面的氧化，可以通过合成调整铁氧化物的氧终结面来吸附金团簇而实现。 第六章研究了水分子在Cu2O(111)表面的吸附。我们利用自旋极化的密度泛函理论研究了从水分子在Cu2O(111)表面的吸附，研究发现分子态的吸附是最有利的吸附模式。在低覆盖度下，我们发现了表面重构。在覆盖度不超过单层时，我们发现水分子的吸附主要通过配位不饱和的铜原子与水分子中的氧原子成铜氧键和水分子与表面氧原子形成的氢键而起作用的。在覆盖度从单层到双层时，水分子的吸附主要是通过表面配位不饱和的氧原子和第一层吸附的水分子形成的氢键而起作用的。对于单层和双层的水分子吸附，我们发现了有序的吸附结构。利用总态密度分析了H2O分子的吸附机理，并且观察到了在Cu2O(111)表面存在湿电子态。湿电子态可能对光催化具有重要的作用。相比于洁净的表面，水分子优先以解离态吸附在氧空位表面，吸附的羟基通过与配位不饱和的铜原子和配位饱和的铜原子的桥位相互作用，解离的氢原子吸附在配位不饱和的第三层氧原子上，吸附的氢原子和吸附的羟基中的氧原子形成氢键。