采用第一性原理方法研究双空位缺陷结构的石墨烯衬底负载不同金属原子(Fe、Co和Pt)体系的稳定结构和表面反应活性。研究结果可知:单个金属原子掺杂的双空位缺陷石墨烯(555-777-graphene)结构具有极高的稳定性(>10.0 eV),显不同正电性的金属原子将用来调控气体分子的稳定性。单个NO和SO2分子吸附在Pt原子掺杂衬底的吸附能最小,在Fe原子掺杂体系上的吸附能更高。不同金属原子掺杂的石墨烯衬底对NO分子均表现出较高的灵敏性。此外,吸附的气体分子能够有效地增强Co原子掺杂体系的磁矩大小,而气体吸附不影响Pt原子掺杂体系的磁性。该研究工作为设计新型二维碳基功能器件提供参考。