由于近年来世界人口的迅速增长以及随之而来对能源需求的急速增加,开发利用新型可再生清洁能源迫在眉睫。与低价且对环境污染严重的化石燃料相比,氢气是一种理想的可再生清洁能源,它对环境友好,且具有很高的燃烧热值。目前,通过太阳光照射分解水是一种有效地获取高纯氢气的方法,而该方法的难点在于如何从繁多的材料中寻找高效、稳定的光催化剂。传统的光催化材料常常面临带边位置不适合、太阳光利用率低等问题,使得光解水的效率很低。由于具有独特的结构和优异的性能,二维纳米材料有望成为下一代半导体光解水催化剂的主要候选者。最近,第Ⅲ主族金属硫属化物单层（MXs,M=Ga,In;X=S,Se,Te）成为新型二维半导体材料研究的热门之一。相比于先前广泛研究的石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物,二维MXs具有更广阔的、易调控的带隙区间。基于第一性原理计算,本论文主要研究了二维MXs及衍生Janus材料的几何结构、电子性质。进一步,以性质计算结果为引导,探索了其在光催化水分解中的性能。具体研究内容如下:（1）我们首先搭建了一系列二维（2D）单层和少层MXs（M=Ga,In;X=S,Se）。结果发现,少层MXs的性质具有层依赖性:带隙值随层数增加而减小,结合能随层数增加而增大。同时少层GaSe随层数增加趋向于从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。特别是,少层GaSe具有高稳定性、合适的带边位置、最佳的带隙值、高载流子迁移率(880-7000 cm²V^-1s^-1)、光生电子-空穴对在空间上的有效分离以及出色的光吸收能力等特点,有望用作下一代可见光范围内的二维全水解光催化剂。（2）其次,基于单层GaX,我们构建了衍生的Janus Ga₂XY（X/Y=O,S,Se和Te）结构。理论计算表明,除Ga₂OTe外,这些单层均是稳定的半导体材料,带隙值在1.00-3.24 eV范围内。由于引入偶极,Janus的面内压电系数(d₁₁=3.09-5.67 pm V^-1)较GaX(d₁₁=0.41-3.04 pm V-1)明显增强,产生的面外压电系数为0.11-0.34 pm V^-1。有意思的是,与不含氧的Janus结构不同,含氧的Janus单层其偶极方向由于两侧电荷分配不同而发生翻转。（3）最后,我们对单层GaX和衍生的Janus Ga₂XY的析氢反应催化活性开展了研究。其中,Ga₂OSe的氢吸附吉布斯自由能?G_H*（0.36 eV）在所有研究的单层中最小。在同一Janus的不同侧吸附位点,氢原子吸附在电负性大的硫属原子顶部得到的?G_H*值更小;在不同Janus的同种硫属原子吸附位点,氢吸附在较母体GaX拉伸更大的结构得到的?G_H*值更小。对Ga₂OSe施加0.3%应变时,得到的?G_H*值（0.01eV）较部分铂基材料更低,超低的过电势带来更好的催化析氢性能。此外,Ga₂OSe还具有较高的光吸收系数(10⁵ cm^-1)、较低的激子结合能（0.71 eV）,表明它是潜在的析氢光催化剂。