光催化技术作为一种清洁、经济、环境友好型的技术,已成为解决能源危机和环境污染两大问题的手段之一。目前的光催化系统仍存在可见光利用率低、电荷复合速度快、光生电子和空穴迁移能力低等缺点,限制了其工业应用。因此,设计新型高效光催化剂并深入了解其构效关系与作用机制就显得格外重要。本文采用量子化学方法,以维度调控与能带工程为手段,构建并研究了具有扩展π-共轭结构的卟啉基和MoS2基两个光催化体系,从原子尺度上解析了几何结构、电子结构与光催化性质之间的内在关系。本研究所设计的新型光催化剂与所涉及的改性策略能够为更多新型光催化剂的开发提供一定的理论依据。主要研究内容及结论如下:1、基于密度泛函理论（DFT）和含时-密度泛函理论（TD-DFT）研究了四苯基卟啉分子（mono-TPP,bis-TPP和terta-TPP）以及维度扩展后的一维-四苯基卟啉-线型结构（1D-TPP-WIREs）和二维-四苯基卟啉-共价有机框架（2d-TPP-COFs）的电子结构和光催化性质,其中本研究选择了 Cu（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）金属离子来研究金属效应。对四苯基卟啉分子前线分子轨道和吸收光谱的计算表明,扩展分子结构和加入金属离子可以有效增强电荷转移和吸光强度。对于维度扩展了的一维-四苯基卟啉-线型结构（1D-TPP-WIREs）和二维-四苯基卟啉-共价有机框架（2D-TPP-COFs）,计算了它们的态密度（DOS）、电荷密度分布、吸收光谱、导带（CB）和价带（VB）的带边位置。相较于四苯基卟啉分子的吸收光谱,扩展维度后的体系吸收光谱产生强红移。同时,态密度和电荷密度分布表明,1D-TPP-WIRE-HCu和2D-TPP-COF-HCu的电荷转移最为突出。因此,具有合适带边位置的1D-TPP-WIRE-HCu和2D-TPP-COF-HCu作为光催化剂还原H2O得到活性氧·OH以降解水中污染物最为合适。2、基于密度泛函理论（DFT）研究了C6H6-MoS2,C24H12-MoS2和C32H14-MoS2三个零维/二维（0D/2D）范德华异质结,计算并详细分析了态密度、电荷定域化函数、电荷密度差分、Bader电荷分析、吸收光谱、功函数和能带对齐。研究发现,与单独的MoS2、GQDs相比,异质结继承了MoS2优异的光吸收性质。随着异质结中GQDs尺寸的增大,GQDs-MoS2异质结由Ⅰ型异质结（C6H6-MoS2和C24H12-MoS2）转变为Ⅱ型异质结（C32H14-MoS2）,Ⅱ型异质结的能带对齐会促进更有效的电荷分离从而提升光催化性能。所设计的新材料——C32H14-MoS2,作为Ⅱ型异质结,具有在可见光区较强的光吸收性能和显著的电荷转移、分离能力,同时光生电子聚集的C32H14的导带底高于H+/H2的标准还原电位,都表明C32H14-MoS2是一种适用于光解水制氢的光催化剂。