光催化分解水制氢和CO2还原（CO2 reduction reaction,简称CO2RR）技术是缓解能源危机和解决环境问题的重要手段,载流子分离效率低下成为了光催化材料设计与发展的瓶颈,这在厚度较薄、激子效应强烈的二维材料中尤为突出。通常情况下,半导体至少需具有1.23 e V的带隙才可以用作全水分解光催化材料,较宽的带隙使太阳光吸收范围局限于紫外光区,而较窄的带隙会造成体系的氧化还原反应驱动力不足,导致与太阳光利用率产生矛盾关系。基于此,本论文在研究二维单层极性半导体的基础上,通过构建二维极性异质结对界面电荷转移机制进行优化,并实现对单层材料带隙和光吸收特性的有效调节,进而从能带结构和光学性质的角度探求提高半导体光催化效率的途径。极性材料的本征内建电场有利于光生电荷的空间分离。本论文构建了具有镜像非对称结构的二维单层极性W、Pt、Zr基硫属化合物,上下表面的较大带电荷量（电负性）差异诱导形成较强的本征内建电场,有利于实现电荷的空间分离。这些材料表现出间接带隙半导体特征,具有用作光催化材料的潜力。通过进一步分析带边排布、载流子迁移率、光吸收谱和反应自由能,探究这些材料用作析氢、析氧以及CO2RR光催化材料的可能性,并且考查了本征内建电场、晶格自应变、表面原子半径以及晶体结构对反应吉布斯自由能的影响。合适的异质结可以使不同的光生电荷分布于不同组元,有助于实现较高效的空间分离。本论文采用二维单层极性材料构建了二维极性异质结,命名为Dipole-scheme（D-scheme）异质结,并与其他类型的异质结进行对比。在D-scheme异质结中,较强的自发极化可使承担还原反应材料的氧化还原电势向低能方向偏折,实现体系还原反应驱动力的有效增强。此外,揭示D-scheme异质结的界面退极化场和材料自身极化场之间的协同作用以及对总内建电场的贡献,建立一套适用于定量分析D-scheme和传统Type-Ⅱ异质结界面内建电场之间关系的方法,可用来指导筛选合适材料而获得与传统Type-Ⅱ异质结方向相反、强度更高的界面内建电场,同时可避免Z-scheme异质结中载流子数量少的问题。除光生电荷的空间分离和氧化还原反应驱动力外,带隙和光吸收特性对异质结的光催化应用有着较大的影响。本论文以二维单层极性MX（M=Ge、Sn,X=S、Se）材料的能带结构和光学性质入手,建立宽带隙（～2.0 e V）的二维极性异质结Ge Se/Ge S（Sn Se/Sn S）,利用界面耦合作用对复合体系的带隙、光吸收谱和激子效应进行有效调控,并探究以相同自发极化方向堆垛形成的D-scheme异质结在可见光驱动水分解光催化领域的应用。红外光在太阳能光谱中所占比例超过40%,意味着对红外光的吸收有助于提高半导体的太阳光利用率。本论文利用二维单层极性过渡金属硫属化合物,设计了两种窄带隙（～1.23 e V）D-scheme异质结Pt OSe/Pt SSe和Pt OSe/Zr OS,展现出较优异的红外光响应能力。构成异质结的两组元的较强本征极化可进一步增强界面内建电场,有助于实现较高效的界面电荷迁移,同时光照下的氧化还原驱动力得到大幅增强,并通过计算反应自由能分析Pt OSe/Zr OS异质结表现出较优异CO2RR活性和选择性的原因,结合各还原产物的吸附能筛选出CO2RR的最优路径,进而探究两种强极性窄带隙D-scheme异质结在红外光驱动水分解和CO2还原光催化领域的应用。