近年来,碳基材料由于其丰富的结构形貌,优良的力学、电学、热力学等性能受到人们的广泛关注。广义上碳基材料可以看做碳原子为骨架的材料体系,包括金刚石、石墨等纯碳体系和高分子有机物等多种原子体系。随着低维度材料的相关研究不断升温,易获得、易调制且成本低廉的各类碳基材料不断进入人们的视野并得到大量关注,在催化、能源、环境、探测器件及各类基础物理化学研究中得到广泛的应用。作为一种完全人工设计合成的新型碳基材料,石墨相氮化碳（g-C₃N₄）甫一出现就受到了人们的广泛关注。近年来,由于其独特的理化性质和电子结构,该材料在光催化降解有机污染物、气体降解、光催化产氢和燃料电池电极等诸多方面有着令人眼前一亮的表现,大量的相关理论和实验工作也随之展开。然而大量的工作过于强调引入外界影响如掺杂、异质结、电场磁场来调制体系结构和电子结构,忽略了本征体系的复杂性和简单的体系改变如质子化等对于材料理化性质的影响。本文针对以上问题,展开了如下的研究工作:1.首次提出控制叠层的方式能够在层状半导体材料中实现电荷空间分离效应,并在石墨相氮化碳体系中通过计算证实了该理论控制电荷的新思路。这种效应在实现了电子完全分离到实空间某层的同时自然的压制了电子-空穴的复合几率,因此有助于g-C₃N₄材料在光电转化应用（光伏和光催化）中的性能提升。我们提出该效应的产生的原因是由于每个独立的七嗪环内具有独特相的价带顶电子的层间量子纠缠作用。这种效应意味着全新的半导体载流子的本征调制方式,这种方式不需要借助外场、界面接触或掺杂等手段。因而在光电子和二维电子领域可能带来一些新的物理现象和应用,比如实现多层材料体系的电子选择性传输等等。建立了两个不同的本征g-C₃N₄叠层体系,并获得了所有可能的叠层结构。在密度泛函理论第一性原理的计算基础之上,得到了随着叠层方式变化而引起的体系能量变化图,更加深入的理解了体系不同叠层方式之间的变化关系,也在某种程度上解释了体材料的低结晶质量的问题;进一步计算得到了不同叠层方式对体系能带色散关系的影响,在不引入外界因素的情况下实现了能带位置和带隙的大范围调制,对相关的实验工作有着极为积极的指引作用。2.在实验上获得的简易高效的g-C₃N₄材料氢化方法的基础上,我们建立了五个对应的可能氢化模型,并使用超胞来避免相互之间的关联作用。针对实验获得的XPS、XRD、能带带隙变化等数据,使用第一性原理的计算方法,合理的解释了光吸收和发射谱的蓝移变化以及体系可能存在的稳定氢化构型。最重要的是,我们通过对特定能带位置的电荷分布空间分离的计算结果,有效的解释了氢化g-C₃N₄体系在紫外-可见光下高度增强的光催化能力机理,为后续材料体系的进一步优化改进指明了道路。3.设计了graphite/Ag/PMA的复合体系,该体系有作为高效超级电容器巨大潜力。并明确了各组分的核心作用:多孔碳（graphite）作为碳骨架和双层电容支撑整个体系架构,银粒子进入到体系中改善体系的导电性,PMA分子则作为赝电容进一步提升体系表现。最终实验制备得到的复合体系相对多孔graphite本身来说获得了巨大的能量密度提升,为我们之后g-C₃N₄材料体系引入到该电容体系铺平了道路。