氢在元素周期表中位于第一位,是电子结构排布最简单的元素,在常温常压下的形态是气态。然而在高压下,它会发生一系列奇特的相变,并且拥有很多新奇的性质。压力可以减小原子间的距离,并且改变电子轨道以及成键模式,进而改变材料的物理化学性质。八十多年以前,Wigner和Huntington预测分子氢在高压下会转变为具有金属性的原子态。1964年,Ashcroft提出,由于氢的质量小,具有较高的德拜温度,其在金属化后可能具有较高的超导转变温度。因此,越来越多的理论和实验工作都致力于氢在高压下的结构、金属性以及超导电性的研究。最近,I.F.Silvera课题组发表在《科学》杂志上的实验结果表明,固态氢会在495 GPa的压强下金属化,并相变到原子相。这一结果在国际上引起了广泛的关注。但是关于这一结果仍然存在着很多争论。该实验给出了固态氢金属化的证据:样品从透明变为不透明的图片。然而在如此极端的压力条件下,实验测量的难度非常大,该实验的数据并不完整,没有与结构信息直接相关的XRD衍射图谱;没有表征与结构相关的声子振动的Raman光谱。因此固态氢的金属化压力以及对应的相空间结构仍需进一步深入的研究。针对I.F.Silvera课题组实验报道的不足与争论,我们利用第一性原理计算方法对固态氢在300-600 GPa压力区间内的相图以及金属化行为进行了研究。通过文献调研,我们得到了在该压力区间内有可能是固态氢候选结构的7种结构:绝缘分子相（C2/c-12、Pbcn、C2/c-24、Cmca-12）,金属分子相Cmca-4和原子相（Fddd和I4₁/amd）。随后分别使用了GGA-PBE泛函以及两种非定域的包含范德瓦尔斯力修正（vdW）的泛函对相应的结构进行了总能计算并加入了零点振动能修正。在综合考虑了热力学稳定性和动力学稳定性后,我们得到了使用不同泛函情况下的候选结构以及对应的稳定压力区间。利用普通GGA-PBE与vdW-DF1泛函得到的结果表明固态在300 GPa压力时已经是金属分子相Cmca-4,这与实验上所报道的固态至少在350 GPa压力以上才会发生金属化相矛盾;而根据vdW-DF2泛函计算的结果,固态在大约485 GPa压力发生金属化。C2/c-24和Cmca-4分别在300-485、485-600 GPa压力范围内是候选的稳定结构,并会在600 GPa以后相变到原子相（I4₁/amd和Fddd）。我们认为这一结果是比较合理的,而且金属化压力点与最近I.F.Silvera课题组的实验报道结果相符。以目前的高压实验技术,实验上达到氢的金属化压力难度很大。2004年,Ashcroft提出,富氢化合物中的其他元素会对氢的晶格起到“化学预压缩作用”,因而会在相对较低的压力下发生金属化并具有和氢类似的超导电性。因此,科学家们开始在富氢化合物中探索高温超导体,并且取得了显著的成果。最近,硫氢化合物在高压下被预测有超过200 K的超导转变温度,随后被相关实验验证。而且又有很多过渡金属氢化物被预测具有超过250 K的超导转变温度,比如YH₆、LaH₁₀、YH₁₀。受此启发,我们对过渡金属Ta、V、Ti的氢化物在高压下的结构、电子性质、超导电性以及超导机制等方面进行了系统的研究。对于Ta-H体系,Ta₅H、Ta₂H、TaH₂这三个配比在常压下已经被实验合成并研究,其他配比Ta-H氢化物在常压或高压下是否存在及其超导电性都是值得研究的。我们利用ELocR结构预测方法结合第一性原理计算对0-300 GPa压力范围内的钽氢化合物的结构、相图、电子结构、超导电性进行了研究。TaH和TaH₂配比在所研究的压力区间内都是热力学稳定的。TaH₃和TaH₄在高于50GPa的压力范围内才变得稳定,而TaH₆的稳定范围是270-300 GPa。电子性质的计算表明,Pnma（TaH₂）、R-3m（TaH₄）、Fdd2（TaH₆）三种化合物均具有强离子性以及金属性,这种强离子性与其他很多富氢化合物都不同。最后,对三种化合物的电声耦合计算表明他们都是潜在的超导材料,超导转变温度分别为5.4-7.1 K、23.9-31 K、124.2-135.8 K。受到TaH₆中超过100 K的超导转变温度的启发,我们对与钽同在VB族的钒元素的富氢化合物进行了研究。已经有理论工作对VH₂这个配比在高压下的结构和性质进行探索,然而其他配比的VH化合物是否存在以及性质如何仍然是未知的。我们利用随机结构搜索方法预测出V-H化合物四种在高压下稳定的配比（VH、VH₂、VH₃、VH₅）。VH₂的结构和相序与前人报道的结果相一致。通过总能计算,我们提出了几个未曾被报道的V-H化合物。VH、VH₃、VH₅三个配比的结构均具有强离子性,且电荷从V转移到H。电子态密度和三维费米面的计算表明它们具有金属性。随后的电声耦合计算显示它们均是潜在的超导材料,在150-250 GPa的压力范围内,R-3m（VH）、Fm-3m（VH₃）、P6/mmm（VH₅）的超导转变温度分别为6.5-10.7 K、8.0-1.6 K、30.6-22.2 K。对P6/mmm（VH₅）中的超导电性分析表明,费米面处电子态密度和声子频率起到了主要的贡献作用。我们的发现对后续的V-H化合物的结构研究,富氢化合物的超导电性研究起到一定的帮助作用。对于Ti-H化合物,TiH₂的结构和相变已经在实验上和理论上被进行了深入的研究。而其他配比的Ti-H化合物在高压下的结构和超导电性鲜有研究。因此我们对高压下的Ti-H化合物的结构和超导电性进行了系统的探索。TiH和TiH₂这两个配比在我们研究的压力范围内都是热力学稳定的,而TiH₃和TiH₆分别在高于25 GPa和175 GPa的压力下才稳定。而且我们所预测的稳定配比在加入零点能修正后也不会发生改变。此外,我们预测的TiH₂的结构和相变与前人报道的结果相一致。在200 GPa压力下对TiH、TiH₃、TiH₆的电子结构的计算表明,它们均具有金属性。随后的电声耦合计算表明上述Ti-H化合物均是可能的超导材料。在200 GPa时,TiH、TiH₃、TiH₆的超导转变温度分别为9.7-11.8 K、1.8-3.5 K、70.9-79.3 K。对TiH₆中的超导转变温度随压力的变化趋势的分析表明,费米面处电子态密度和声子频率起到了主导作用。我们所预测的稳定结构存在的压力区间,均在当今高压实验科学可达到的压力范围,有望为后续相关实验进行Ti-H化合物的合成和超导电性的探究提供引导和支撑作用。