催化臭氧氧化是一种非常具有代表性的高级氧化技术，能够利用臭氧分子（O3）活化生成的羟基自由基（•OH）和超氧自由基（O2•-）等活性氧物种（ROS），高效去除难降解有机污染物。改性碳基材料具有低成本、高活性、环境友好和来源广泛等优点，近年来在催化臭氧氧化研究中得到了越来越多的关注。但碳材料界面活化臭氧及降解有机物的反应机理不清，通过常规实验手段难以深入揭示反应规律。本论文基于密度泛函理论（DFT）计算构建了三类典型的改性碳材料模型，分别模拟了O3和有机物在这些碳基催化剂表面吸附、活化过程，从分子层面深入揭示了催化臭氧氧化过程的界面反应机理，可为实验研究提供理论参考。主要研究内容及结果如下：（1）通过DFT计算研究了O3在四种原子掺杂石墨烯表面吸附与活化反应机理。发现原子掺杂能够提升纯石墨烯的催化活性。在硼掺杂石墨烯（BG），磷掺杂石墨烯（PG）和硅掺杂石墨烯（SiG）上O3吸附与分解的活性位点是掺杂原子，而在氮掺杂石墨烯（NG）上则为氮原子相邻的碳原子，且分解的产物均为表面吸附的氧物种（Oads）和游离的基态氧气分子（3O2）。该Oads更可能作为产生其他ROS的重要中间体，而不是直接攻击有机物。通过比较Oads与O3或H2O反应产生的活化产物，从理论上预测PG和NG具有更高的催化臭氧氧化活性。定量构效关系（QSAR）的分析结果表明，简缩双描述符（CDD）可以用于筛选、指导设计高效的改性石墨烯催化剂。（2）通过DFT计算构建了八种具有代表性结构的氮掺杂缺陷纳米碳（N-DNCs）材料模型，并选择了10个典型的活性位点探究不同类型的缺陷和掺杂N种类对O3活化过程的影响。发现O3在所有活性位点上都能发生放热反应分解为Oads和3O2。这些Oads更可能作为反应中间体进一步产生其他ROS，但在吡咯N位点的Oads可能直接攻击有机物。在边缘吡啶N以及N4V2的N和C位点上，O3分解过程除了生成3O2外，还可能产生单线态氧（1O2）。在各种N-DNCs中，N4V2结构具有最高的催化臭氧氧化活性。基于机器学习方法，使用XGBoost模型建立了催化剂表面性质与催化活性之间的构效关系，特征重要性分析结果表明CDD，f 0和硬度是影响O3活化反应能垒大小的最关键因素。（3）分别基于周期性模型及团簇模型，采用DFT计算研究了氮掺杂纳米碳上锚定不同过渡金属（Mn，Fe，Co，Ni）的单原子催化剂（MN4-NCs）上O3的活化机理及表面羟基（M-OH）的影响。发现周期性及团簇模型在几何结构、局部和全局电子性质等方面的计算结果非常一致。O3更易与MnN4-NC，FeN4-NC和NiN4-NC中的过渡金属原子直接作用而活化生成Oads。其中，MnN4-NC上O3的活化反应能垒最小，且Mn位点处生成的Oads带有不成对电子，更可能作为ROS直接攻击有机物。O3难以与CoN4-NC体系中的Co原子直接作用，但能在M-OH结构的作用下活化形成邻位C原子上的Oads或靠近表面的HO2物种。理论计算结果表明，MnN4-NC和CoN4-NC催化剂具有更高的催化臭氧氧化活性，并得到了实验结果的验证。（4）通过DFT计算研究了四种典型有机污染物在三种高活性改性碳基材料表面的吸附情况。发现苯酚、4-氯酚和对羟基苯甲酸的酚羟基，草酸的羧基氧是更容易发生反应的位点。有机物在催化剂表面以平面吸附为主，且吸附作用普遍较弱，难以对O3的界面活化过程产生明显影响。O3分解生成Oads后，各催化剂表面有机物的吸附作用均被明显加强，并转变为以H原子吸附为主。机器学习与多元线性回归的QSAR模型结果表明，催化剂的垂直电离能（VIPc），垂直电子亲和能（VEAc）以及有机物的VEA是影响有机物在催化剂表面吸附能（ΔEads）大小的关键因素。