二维材料是由几个原子层组成的,它不仅高度柔韧,重量轻,易于大面积制备等,而且具有新奇的电学和光学性质,这些优异性质是其块体中所无法实现的。二维材料具有大的比表面积和高的表面活性使其在气体传感领域有着重要应用价值。基于二维材料的异质结构结合了不同材料的优异性质,引领着下一代电子器件的发展。作为清洁能源的替代物,使用特定光催化剂促进水分解反应产生氢气从而受到了研究人员的广泛关注。水分解的效率很大程度上取决于光催化剂的结构和电子性质。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了几种二维材料的电子和光学性质,并通过吸附、改变层间距、施加应变和外电场等方法对它们的电学性质进行了调控。本文的主要内容归纳如下:（1）二维硫化亚锡吸附气体分子的第一性原理研究:应用第一性原理计算系统地研究了二维硫化亚锡对不同气体分子（CO,CO₂,H₂O,NH₃,SO₂和NO₂）的吸附行为。计算了吸附能,吸附距离和Hirshfeld布局电荷来评估硫化亚锡对这些气体的吸附能力。结果表明,硫化亚锡对NO₂气体分子的吸附作用最强,吸附能最大且转移电荷量最多,吸附前后体系的电子态密度变化最为显著。为了定量评估单层硫化亚锡作为NO₂气体传感器的性能,进一步采用非平衡格林函数方法计算了硫化亚锡吸附NO₂气体分子前后的伏安特性曲线。结果表明在相同的偏压3.0V下,硫化亚锡吸附NO₂气体分子后的电流（5.25?A）是吸附前（1.82?A）的2.88倍。合适的吸附能、优异的电荷转移以及气体吸附前后体系伏安特性曲线的显著变化,因此单层硫化亚锡可作为NO₂气体传感器的潜在候选者。（2）锗烯/硒化锌异质结的理论研究:采用第一性原理计算研究了锗烯和单层硒化锌构成的异质结的结构、电子和光学性质。结果表明具有较大直接带隙的硒化锌和零带隙的锗烯复合形成了轨道杂化异质结构,该异质结拥有0.503 eV的直接带隙。当异质结受到外加电场时,其经历了由半导体到金属的转变。外加电场还可以线性调控锗烯和硒化锌层之间的电荷转移。此外,施加应变和改变层间距离可以有效地调控该异质结的带隙。层间距的改变可引起异质结的带隙经历由间接向直接的转变。光学性质计算表明,锗烯/硒化锌异质结的介电常数优于单独的锗烯和硒化锌,且光吸收系数可覆盖红外、可见光到紫外区域。基于上述计算,锗烯/硒化锌异质结有望成为场效应晶体管（FET）和纳米光电器件应用的候选者。（3）二维氧化锌/二硒化钨异质结的光催化理论研究:采用第一性原理计算,研究了二维氧化锌/二硒化钨异质结的电子和光学性质。结果表明氧化锌/二硒化钨异质结是范德华力（vdW）异质结构。异质结的电子和空穴分布在不同的单层上,表现为II型能带结构。该异质结拥有2.03 eV的直接带隙。从二硒化钨转移到氧化锌的电荷构建了内部电场,使得光生电子-空穴在空间上能够有效分离,从而提高了光催化效率。该异质结具有较小的有效质量和较高的载流子迁移率。异质结在双轴应力下表现出连续可调的带隙和带边。其带隙和带边缘分布均满足水的氧化-还原电位的要求。该异质结在可见光和紫外光区域均具有高达10⁵cm^-1的光吸收系数,可以吸收波长位于150-760 nm的光子。这种优异的电子和光学性质使得该异质结适用于水分解反应的高效光催化剂。