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在理论化学领域,密度泛函理论方法是最主要、最便捷的计算模拟方法之一,其具有较高的计算精度以及较低的计算投入,在化工、能源、材料、物理等领域应用颇为广泛。本文通过Material Studio计算模拟软件,一方面利用密度泛函理论,选择CASTEP计算模块,计算研究了Cu Zn Mg Al多元水滑石的空间结构,探讨了主体层板中的金属排列、层间阴离子种类对其超分子作用力的影响,还探讨了铜铁水滑石层间水分子的空间排布及水合膨胀性质。另一方面,利用密度泛函理论方法,选取DMol3计算模块,针对噻吩在不同金属催化剂上的吸附行为及加氢脱硫机理进行了详细的分析与探讨,确定了最优反应路径及限速步骤。本论文主要研究内容与结果如下:(1)在Mg Al-LDHs层板中引入Cu、Zn元素的同时在层间引入不同一价阴离子(X=F-,Cl-,Br-,I-,NO3-,OH-),搭建结构性质稳定的Cu Zn Mg Al-LDHs,通过分析各体系的结合能、结构参数、Mulliken电荷布居、氢键、电子排布等性质,发现Cu在晶胞定点,Al在晶胞中心的构型较为稳定,姜-泰勒效应不仅存在于d轨道未排满的Cu2+中,也存在于理论上d轨道排满的Zn2+与p轨道未排满的Mg2+中,随着层间阴离子电负性的减弱,电子逐渐从层间阴离子向层板发生转移,主客体间静电作用力逐渐减小,氢键强度逐渐降低,禁带宽度逐渐变窄,体系电子更易向高能级发生跃迁,稳定性逐渐下降。此外,Cu元素的掺杂使得Cu Zn Mg Al-LDHs体系的价带顶向高能量处偏移,禁带宽度较传统Mg Al-LDHs更窄,稳定性更低,进一步解释了含铜水滑石较难合成的原因。(2)在Mg Al-LDHs层板中引入具有催化活性的Cu、Fe元素,将不同数量的水分子插入其层间,探究层间水以及层间阴离子的分布状态,以及它们与主体层板之间的相互作用、氢键分布、电子性质、成键性质等。氢键作用力及静电作用力存在于Cu3Fe-LDHs的层板与层间阴离子之间,且整个水合阶段氢键起到了关键的作用,氢键强度的顺序是层板-阴离子型>阴离子-水型>层板-水型>水-水型;随着层间水分子数的增加,层间距先略微降低后显著升高,Cu3Fe-LDHs体系的Cu-O八面体被逐渐拉长,层板Cu2+的姜-泰勒畸变程度逐渐增大,体系的逐级水合能绝对值逐渐降低,说明Cu3Fe-LDHs的水合程度不会无限增加,而是有一个饱和值。(3)构建常见金属催化剂的周期性模型Pd(111)、Pt(111)、Au(111)面,通过几何优化,分析了噻吩在不同底物金属上的吸附构型、吸附能、差分电荷密、Mulliken电荷布居以及态密度等性质发现,噻吩在Pd(111)面上的吸附能最大,Pt(111)面次之,Au(111)面最小。吸附后,噻吩在Au(111)面上的构型几乎保持不变,最终通过S端倾斜吸附于top位;噻吩在Pd(111)及Pt(111)面上发生了折叠与变形,环中氢原子向上翘起,最终通过环平面平行吸附于hollow位。此外,噻吩吸附后环中的芳香性遭到了破坏,环中碳原子呈现sp3杂化,同时电子逐渐由噻吩向金属表面发生转移,金属中的部分电子也反馈给了噻吩环中的空轨道,这种协同作用最终导致了噻吩分子稳定吸附于金属催化剂表面。(4)在最优吸附构型的基础上,探讨了噻吩在Pd(111)、Au(111)面上可能的加氢脱硫反应机理,使用Complete LST/QST方法对不同机理下各个基元反应的过渡态进行了搜索,得到了各个步骤的能量变化及所需活化能。对于直接脱硫机理,其所需活化能较低,但脱硫产物较难控制。对于间接脱硫机理,噻吩在Pd(111)面上最可能按照顺式加氢方式进行,具体反应步骤为:(1)C4H4S+H2→α,β-C4H6S(2)α,β-C4H6S+H2→C4H8S(3)C4H8S+H2→C4H10+S,其中四氢噻吩的形成为反应的限速步骤。噻吩在Au(111)面上最可能按照加氢异构方式进行,随着反应的进行,噻吩环中的C-S键键长逐渐增大,键能逐渐降低,有利于C-S键断裂,其中S原子的脱去步骤所需活化能最高,为反应的限速步骤。