现如今,全球能源需求的增长和传统能源对环境的影响,对人类健康、能源安全和环境保护发出了严峻的挑战。为了应对这种挑战,一个有前途的解决方案就是引入清洁能源的相关技术体系。清洁能源是指对能源清洁、高效、系统化应用的技术体系,比如用于清洁发电的燃料电池和可以高效吸附二氧化碳等气体的多孔材料。燃料电池技术可以提供清洁和持续的电能,是通过电化学反应将氧气还原并将燃料氧化成水作为唯一的副产物来直接发电的。这种能量转换技术的能量转换效率高,无污染,有着潜在的大规模应用前景,现已受到了广泛的关注与研究。然而铂(Pt)基催化剂的诸多弊端,使得研究者们需要获得一些资源较为丰富、成本较低、有着与Pt相近甚至是优于Pt的催化氧气还原反应(ORR)的性能的新材料。此外,二氧化碳的去除,特别是去除天然气等重要气体当中的二氧化碳,从能源和环境的角度来看,同样是相当重要的。当前,从天然气当中去除二氧化碳的方法多为高成本和低效率的,这对新型多孔材料的研发同样提出了要求。若是有一种材料,在分子设计层面上,既可以满足燃料电池技术的需求,又可以满足二氧化碳的合适吸附剂的需求,那将会是非常理想的。基于第一性原理和密度泛函理论(DFT),本论文采用计算化学方法和一些化学实验方法,设计和制备了多种共价有机聚合物(COP)材料,并研究了它们就燃料电池技术应用和气体吸附应用的性能,旨在为实验提供合理可靠的指导。本论文的主要创新点及其相关内容如下:1.采用基于第一性原理和密度泛函理论(DFT)的计算化学方法,结合电荷密度分析、态密度分析和能带结构分析,对六个非封闭共轭的COP材料模型的电化学催化氧气还原反应的性能进行了理论预测,并成功制备了掺杂有金属元素的非封闭共轭的COP材料。结果表明,非封闭共轭的COP材料,在没有经过高温碳化处理的情况下,一般不具备足够好的电化学催化氧气还原反应的性能。而金属离子在聚四苯基卟啉的分子结构当中的掺杂,为COP提供了催化活性位点,加上金属有机骨架(MOF)模板的存在使得相应的COP的分子结构更为规整,进而相应的COP获得了优异的催化ORR的性能。2.采用基于第一性原理和密度泛函理论(DFT)的计算化学方法,结合电荷密度分析、态密度分析和能带结构分析,对四个无掺杂封闭共轭的COP材料模型即COP-B3、COP-B4、COP-B5和COP-B6的电化学催化氧气还原反应的性能进行了理论预测。结果表明,无掺杂封闭共轭的COP材料,在没有经过高温碳化处理的情况下,有着封闭共轭结构的COP材料,随着六边形分子结构尺寸的规律增加,其电化学催化氧气还原反应的性能可以从无到有且从弱到强。这样的结论,对于无高温碳化处理的COP材料的分子设计和实验制备,提供了一个非常重要的指导性思路。3.采用基于第一性原理和密度泛函理论(DFT)的计算化学方法,结合电荷密度分析、态密度分析和能带结构分析,对无掺杂封闭共轭的COP材料模型COP-B5进行了氮元素掺杂处理,并对这些改性后的分子结构模型的电化学催化氧气还原反应的性能进行了理论预测。结果表明,单纯的氮原子掺杂不仅无法令COP-B5这样的COP材料获得预期的性能提升,反而会令其丧失原有的电化学催化氧气还原反应的性能。但是,硝基的引入却令掺杂后的模型在相应的电化学催化性能上获得了十分明显的提升。如此,官能团引入COP材料的分子结构当中这样的思路,便可能在未来的某一天,被应用在实验制备上。4.采用基于第一性原理和密度泛函理论(DFT)的计算化学方法,结合电荷密度分析、态密度分析和能带结构分析,对无掺杂封闭共轭的COP材料模型COP-B6进行了硝基掺杂处理,并对这些改性后的分子结构模型的电化学催化氧气还原反应的性能进行了理论预测。结果表明,单硝基掺杂无法令COP-B6这样的COP材料获得预期的性能提升,只是做到了基本保持。但是,双硝基掺杂却令掺杂后的模型在相应的电化学催化性能上获得了较为明显的提升。只是,双硝基掺杂需要采用合适的方式,不合适的方式会致使材料的催化性能失活。5.采用三聚氰胺和某种含有三个醛基的配体,在氮气保护和180℃的条件下,于二甲基亚砜(DMSO)中反应72小时的化学实验合成方法,制备出了 COP-MT这种氮含量十分丰富的COP材料,用于二氧化碳的去除这样的气体吸附应用。结果表明,COP-MT得益于其丰富的氮含量,在吸附天然气中的二氧化碳的过程当中,表现出了优异的性能,具备着对甲烷/二氧化碳混合气体的优异吸附选择性,即COP-MT在吸附气体的过程中,只会吸附少量的甲烷。这说明,氮掺杂COP材料不仅对电化学催化氧气还原反应有着积极的意义,对于气体吸附应用同样有积极的意义。