能源是人类生存和发展必不可少的物质基础。同时,能源也是国民经济和社会发展的重要战略资源。当今社会的经济、能源和环境已成为不可分割的有机整体。经济、能源和环境的可持续发展是实现中国现代化目标的重要前提。能源问题的实质是经济、能源和环境之间的关系,能源在不同程度上限制了人类社会的发展。另一方面,能源的使用在不同程度上损害了地球的环境,甚至威胁了人类的生存。自21世纪初以来,人类一直面临着越来越严重的能源问题。石油资源日益枯竭,迫使人们在经历了生物质(主要是木材),煤炭和石油能源之后,转向了新的可用资源。能源不仅要满足人类不断增长的经济发展需求,而且必须满足人类与自然的可持续发展。二维材料成功制备,拓展了人们材料研究的视野。由于电子仅限于二维空间,因此二维材料具有前所未有的物理学、电子学、光学和化学特性。制备具有所需组成、尺寸、厚度、晶相、缺陷和表面性质的超薄二维纳米材料的能力对于进一步提高其物理、电子、化学和光学性质,以及探索不同性质的潜在应用具有特别重要的意义。迄今为止,通过各种合成方法制备了大量超薄二维纳米材料。同时随着纳米技术的飞速发展,开发了一些强大的表征技术来表征超薄二维纳米材料,以揭示其组成、尺寸、厚度、结晶度、晶相、缺陷、氧化态和电子态。鉴于二维材料在能源领域的广阔应用前景和优势,本论文主要讨论二维材料的压电效应(将机械能转换为电能)和光吸收特性(将太阳能转换为电能)。从二维压电材料的性质计算、性能调控和结构设计三个方面对新型二维材料的压电效应进行研究。首先,我们对最新制备的二维IV-V族MX_2化合物的压电性质进行了研究,发现其具有十分罕见的巨大的负压电系数。其次,研究了二维III-V族压电材料中原子吸附对其压电性质的调控效应,发现原子吸附可以有效增加结构的稳定性和增大二维材料的压电系数,特别是能引入或者增大面外的压电系数,这对于压电材料的实际应用十分重要。最后,我们也通过结构重组来设计新型二维磷烯压电材料,发现单元素材料也可以存在压电效应。而对于二维材料的光吸收特性,通过对二维材料的吸光度、能量转换效率和载流子迁移率的计算,我们发现了具有超高载流子迁移率和能量转换效率的新型二维相硒化锡。考虑到结构预测和设计在二维材料研究中的重要地位,我们通过课题组自主开发的结构搜索软件RG~2来寻找可能的二维能源材料,并得到了初步的成果,搜索到具有超高载流子迁移率的新型二维IV-V族结构。我们的研究工作进一步表明二维材料在能源领域有着重要的研究价值。