人类社会面临的主要挑战已发展为能源短缺和环境恶化。可持续发展的最佳能源选择是太阳能,其作为一种理想的清洁无污染的新型能源,具有取之不尽、用之不竭的特点。g-C₃N₄作为一种无金属光催化剂,具有低成本,特殊的电子能量带结构,热力学稳定性和化学稳定性,例如在光催化场中分解水释放氢气、降解有机污染物、降低CO₂的抑菌性、选择性的转化有机官能团等。目前,g-C₃N₄型光催化剂存在比表面积小、可见光利用率低、量子产率低和光生载流子易复合等缺点,这些缺点阻碍了光催化剂在光催化领域的应用。元素掺杂是调整电子结构和改善石墨相氮化碳（g-C₃N₄）光催化活性的有效策略。利用CASTEP模块进行密度泛函理论的计算,我们研究了过渡金属（Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh,Pd,Ag,Os,Ir,Pt,Au）、碱金属（Li,Na,K,Rb）和碱土金属（Be,Mg,Ca,Sr）掺杂单层g-C₃N₄的结构参数、能带结构和电子性质。本文以g-C₃N₄改性光催化剂为研究对象,从结构参数和电子性能的角度阐述了各种改性方法对提高光催化活性的微观机理。结果表明无论是掺杂过渡金属Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au,碱金属Li、Na、K、Rb还是碱土金属Be、Mg、Ca、Sr都有利于电子的转移,减弱了光生电子-空穴的复合,增强的g-C₃N₄的光催化效率。同时,利用第一性原理密度泛函理论方法计算N₂分子在M-g-C₃N₄（M=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh,Pd,Ag,Os,Ir,Pt,Au,Li,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr）的吸附以及O₂分子在M-g-C₃N₄（M=Cr,Co,Ni,Cu,Pd,Ir,Pt）的吸附,从而进一步了解过渡金属、碱金属和碱土金属与N₂分子间的反应机理以及Cr、Co、Ni、Cu、Pd、Ir、Pt与O₂分子间的反应机理,计算了M-g-C₃N₄-N₂（M=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh,Pd,Ag,Os,Ir,Pt,Au,Li,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr）和M-g-C₃N₄-O₂（M=Cr,Co,Ni,Cu,Pd,Ir,Pt）构型的吸附能、结构参数和电子特性,通过计算M-g-C₃N₄-N₂(M=Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh,Pd,Ag,Os,Ir,Pt,Au,Li,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr模型的态密度和差分电荷密度,发现掺杂金属可以活化N₂分子,过渡金属除了Ag和Au之外,其他过渡金属都与N₂分子之间发生了电子的转移。对于碱金属,发现Li、Na活化N₂分子要强于K、Rb,这也与它们的吸附能相一致。对于碱土金属Be、Mg、Ca、Sr、Be可以更有效地活化N₂分子。通过计算M-g-C₃N₄-O₂（M=Cr,Co,Ni,Cu,Pd,Ir,Pt）模型吸附O₂分子,根据吸附后电子态密度的分析表明,过渡金属Cr、Co、Ni、Cu、Pd、Ir、Pt能很好的活化O₂分子。