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低维碳纳米材料,如富勒烯（Fullerene）、碳纳米管（CNT）和石墨烯（Graphene）等在解决目前人类面临的能源危机与环境问题等方面具有广阔的应用前景。大量实验研究表明碳纳米材料/半导体异质结具有优异的光催化性能,但是其机制目前尚不清楚。在纳米尺度,碳纳米材料的性质很大程度上取决于它们的电子结构和与其他材料的相互作用。因此,为了从电子层次揭示低维碳材料/半导体异质结的光催化机制,本文基于已有实验结果,通过第一性原理计算,系统研究了碳纳米管与几种半导体（窄带隙半导体Ag3PO4、宽带隙半导体Sn O2、新型二维半导体材料Mo S2和磷烯）异质结的电子结构和光学性质,揭示这些异质结具有增强光催化性能的物理机制,为设计具有优异光电性能的碳纳米材料异质结构提供了理论基础。主要获得了以下几个方面的研究结果:1.研究了CNT/Ag3PO4异质结的电子结构和光学性质,发现界面存在共价和非共价两种不同的相互作用,界面相互作用的类型主要取决于CNT的性质及其与Ag3PO4表面的相对取向。非共价相互作用的异质结中CNT和Ag3PO4的能带相互交错形成II型异质结;共价相互作用的异质结在界面形成C-Ag键。II型异质结或C-Ag键的存在不仅可以促进光生电子和空穴的分离,提高光催化活性,并能有效阻止Ag+在Ag3PO4表面还原成Ag原子,从而显著提高其稳定性。相比于纯Ag3PO4,界面相互作用引起CNT/Ag3PO4异质结的带隙减小,非常小的带隙（<0.3e V）使得CNT/Ag3PO4异质结不仅可以吸收更多的紫外-可见光,还可以吸收更多的近红外光,从而提高光催化性能。CNT与Ag3PO4之间的界面相互作用引起的电子结构变化,使得CNT/Ag3PO4异质结在紫外到红外区域比纯的Ag3PO4的光吸收强度显著提高,也促进了光催化性能的提高。在CNT/Ag3PO4异质结中,CNT不仅是有效的敏化剂,还是高活性助催化剂。这些结果不仅揭示了实验中观察到CNT/Ag3PO4异质结光催化性能增强的机理,并有助于开发高效的基于碳纳米材料或Ag3PO4的异质结纳米光催化剂。2.研究了宽带隙半导体Sn O2与CNT的界面相互作用对电子结构和光学性质的调控,发现这类异质结的界面相互作用为弱的范德瓦耳斯（vd Ws）作用。在CNT/Sn O2异质结中,CNT和Sn O2的能带相互交错形成II型异质结,可以促进光生电子和空穴的分离,有利于提高其光催化活性。界面的相互作用引起CNT/Sn O2异质结带隙减小和电子结构变化,使得CNT/Sn O2异质结在可见光区域比纯Sn O2的吸收强度显著提高,增强了对太阳光的利用率。在CNT/Sn O2异质结中,CNT既是有效的敏化剂,也是高活性助催化剂。这些发现揭示了实验中发现的CNT/Sn O2异质结光催化性能增强的物理机理。3.研究了三个原子层厚度的二维材料Mo S2与CNT构成的异质结,系统研究了其界面相互作用及其对Mo S2材料电子和光学性质的影响。研究发现:CNT与单层Mo S2形成范德华异质结构,其界面相互作用的强弱与CNT管径大小密切相关。在CNT/Mo S2异质结中,Mo S2获得或失去电子取决于CNT管径大小。CNT和Mo S2费米面附近的能带交错排列形成II型异质结,促进了光生电子和空穴的分离,提高了光催化活性。由于电荷转移,一些带电荷的C原子变成活性位点,使CNT在异质结中成为活性助催化剂。一些Mo原子带获得一些负电荷,使得一些Mo原子由初始催化惰性点变成活性位点。这些因素的共同影响提高了CNT/Mo S2异质结的光催化性能。4.研究了单原子层厚度的二维材料磷烯与CNT组成的异质结,系统的研究了CNT管径大小对磷烯电子结构和光学性质的调控作用。研究发现CNT和磷烯界面之间的相互作用能提高磷烯的光吸收范围和光吸收强度,并能改善磷烯的稳定性。形成的II型异质结可以提高光生载流子的分离,界面之间的电荷转移使CNT成为活性助催化剂。这些结果表明CNT/磷烯异质结是潜在的高效光催化材料。