随着传统能源（煤、石油、天然气）的逐渐枯竭,环境问题、能源问题越来越严重。寻找和利用环境友好、可再生的清洁能源是目前人类面临的严峻挑战。氢能源有着很高的能量密度,燃烧无污染,被普遍认为是一种理想的清’洁能源。氢能源的主要技术包括:（1）利用太阳能制取氢气,（2）氢气存储（储氢材料）,（3）氢燃料电池的应用。本论文研究的是储氢材料,包含5章内容。在第1章,我们首先介绍了第一性原理和密度泛函理论,然后介绍了常用的量化软件VASP,最后介绍了能垒的计算方法。在第2章,我们首先介绍了氢经济、氢能源的基本概念,以及实际应用（美国能源部DOE）对储氢材料的具体要求。其次,我们介绍了储氢材料跟氢气之间的相互作用,介绍了吸氢和脱氢反应的基本概念（氢容量、热力学、动力学、反应焓变/脱氢能、反应能垒等）。第三,我们介绍了传统金属氢化物、复杂金属氢化物、化学氢化物、多孔材料等作为储氢材料的研究现状。第四,我们列举了调制储氢材料的储氢性能的方法（降低材料尺寸、添加催化剂等）。第五,我们介绍了储氢材料在实际应用中涉及到的其它参数（有效氢容量、总体效率、氢气的纯度、循环使用次数等）。最后,我们列举了储氢材料在理论计算方面的研究现状（体材料、团簇、纳米线、纳米薄膜等）。在第3章,我们介绍了 MgH₂纳米线在实验上的研究进展。在此基础上,我们采取了一个跟实验一致的结构模型,来研究MgH₂纳米线的储氢性质。计算结果表明:Mg和MgH₂纳米线的表面结构跟体材料有较大差异,使得纳米线的稳定性低于体材料。我们发现,MgH₂纳米线的脱氢能和脱氢温度都低于体材料的数值。纳米线的直径越小,脱氢能和脱氢温度越低,意味着脱氢越容易,跟实验结果是一致的。MgH₂纳米线的脱氢温度在324～450 K,低于MgH₂体材料的脱氢温度488 K（实验上的脱氢温度是573 K）。与体材料相比,MgH₂（96）纳米线（直径2.63纳米）的脱氢温度低了 39 K,MgH₂（6）纳米线（直径0.63纳米）的脱氢温度低了 164 K。当MgH₂纳米线的直径小于1.94纳米,脱氢能和脱氢温度急剧减小,意味着:直径小于1.94纳米的纳米线,脱氢反应的效果是最佳的。进一步,我们通过bader电荷分析,给出了一个脱氢能变化趋势的微观机理:MgH₂纳米线的直径减小,Mg和H原子之间的成键作用减弱,导致脱氢能降低。电子结构方面,Mg纳米线都是金属,MgH₂纳米线都是有着间接带隙的半导体。MgH₂纳米线的电子结构受到量子尺寸效应和表面效应的双重影响:MgH₂纳米线的直径越小,其带隙越大,表现出量子尺寸效应;表面效应使得MgH₂纳米线的带隙小于体材料。MgH₂纳米线的电子结构有待实验的验证。在第4章,我们首先介绍了 Mg/MgH₂薄膜储氢材料在实验上的研究进展,然后介绍了一些过渡金属催化剂。在此基础上,我们计算研究了 Pd在MgH₂（1 10）表面的吸附情况。计算结果表明:Pd最稳定的吸附位置是次表面,然后是表面。我们计算研究了 Pd吸附的MgH₂（110）表面的脱氢反应。纯的.MgH₂（110）表面的脱氢能垒是1.802 eV。当Pd处于次表面的时候,脱氢能垒是1.649 eV,Pd有一定程度的催化作用。但是,当Pd处于表面的时候,脱氢能垒只有1.154 eV（111 kJ/mol）,Pd表现出极佳的催化作用。MgH₂的脱氢温度是573 K,吸附Pd后,脱氢温度降低到367 K,脱氢温度的大幅度降低,意味着脱氢反应速率将大幅度提高。我们计算的能垒和脱氢温度,与实验值是定性一致的。最后,通过氢溢出机理,我们讨论了脱氢反应的微观过程。在第5章,我们计算研究了金属原子吸附的BC3单层材料作为储氢材料的可能性。计算结果表明,Li、Ca以单个原子的形式,吸附在BC3上。3d过渡金属（Sc～Ni）以团簇的形式,吸附在BC3上。1个Li最多吸附4个H₂。1个Ca最多吸附5个H₂。1个Sc最多吸附5个H₂。Sc对H₂的吸附能最大,Ca次之,Li最小。电荷差分图和态密度的分析表明,Li、Ca通过“电荷极化”吸附H₂,Sc通过“电荷极化”和“Kubas作用”吸附H₂。当Li的覆盖度达到100%的时候,氢容量10 wt%,吸附能0.27 eV。当Ca的覆盖度达到100%的时候,氢容量6.5 wt%,吸附能0.3 eV。我们理论设计的氢容量,满足美国能源部DOE的要求。进一步,我们的计算结果,有待实验的验证。