自工业革命以来,化石能源大规模进入人们的生活。随着煤炭石油以及天然气的快速消耗,这些不可再生资源陷入了即将枯竭的境地,按照我们目前对化石能源的开采速度和消耗速度来看,全球已探明的石油储备量仅供开采40年,而天然气也只能开采60年。在本世纪后期,人们将会面临巨大的能源危机,开发新型的能源材料变得刻不容缓。而伴随着化石燃料的消耗,环境污染问题也日益严重。大量化石燃料燃烧所产生的含氮、含硫污染物严重污染着大气环境,造成了严重的酸雨现象,其排放出的大量二氧化碳加剧了地球的温室效应。这些问题威胁着动植物的生存,侵蚀着人类赖以生存的环境,影响着人们的健康。面对每天巨额的能源消耗,开发出清洁无污染的新能源势在必行。作为地球能源的原始来源,太阳能具有储量丰富,清洁可靠的特点。如果能有效利用太阳能,地球的能源和环境问题将会得到缓解。而在太阳能的利用中,具有合适带隙的、可高效率吸收太阳光的半导体材料显得十分必要。我们可以利用半导体光催化材料直接吸收太阳能分解水制氢来获得清洁的氢能;同时利用光催化材料分解污染物,有效缓解环境问题。近年来,为了更好的利用太阳能,人们在实验和理论上都进行了大量的探索,而利用太阳能的关键就是找到合适的光催化材料。本文从传统的光催化材料——二氧化钛出发,通过基于遗传算法的自编结构搜索软件来获得新的二氧化钛晶体结构。我们系统的研究了多种TiO₂结构的能带特点,发现二氧化钛晶体的带隙随着Ti原子的O配位数增加呈现减小趋势,并直接预测了具有类直接带隙1.95eV的新型二氧化钛晶相。进一步利用遗传算法搜索获得6种相对稳定的二维二氧化钛薄膜结构,发现了具有2.0eV间接带隙的二维六角结构的二氧化钛薄膜。通过裁剪和卷曲薄膜发现了扶手椅型剪切卷曲的六角薄膜,具有较好的间接带隙,易于实验室制备使用。考虑到无机半导体催化剂制备时污染环境的缺点,我们研究了有机催化剂的催化性能。通过多种官能团修饰的酞菁类衍生物,并获得适用于光催化作用的有机材料。