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半导体光催化分解水是一种利用太阳能产生H2的很有前景策略之一。光催化水分解反应包含三个主要步骤:吸收太阳光,电荷分离以及表面催化反应生成H2和O2。基于上述三个步骤,科学家们对光催化分解水的机理进行了许多研究,并提出了很多策略来调变半导体光催化剂的物理化学性质,以期有效提高光催化剂对可见光的吸收、降低光生载流子的复合以及加速表面反应。这些方法包括掺杂金属/非金属元素、构建半导体异质结以及负载助催化剂等。在将光催化剂的光吸收范围扩展到可见光区域设计中,非金属掺杂是减少半导体的宽带隙,使其吸收光谱进入可见光区域的主要策略之一。利用密度泛函理论的第一性原理计算,我们研究了非金属元素X（X=C、Si、N、P、S、Se、F、Cl、Br和I）取代宽带隙的钙钛矿型BaTiO3中O（X@O）和Ti（X@Ti）时对半导体的晶体结构、电子结构、稳定性以及光催化性能的影响。计算结果表明,掺氮后BaTiO3带隙变窄,为实验观测的现象提供了合理的解释;并且发现掺杂剂X的最佳取代位点取决于它相对于O2-或Ti4+的离子大小。掺杂的难易程度取决于局部结构的变形和掺杂剂的电负性。X@O掺杂中C-和I-掺杂的BaTiO3可以将吸收边缘扩展到可见光范围,同时提高了光催化水分解的能力。用S或Se代替晶格中O/Ti原子不仅导致带隙变窄,并且增强了半导体的光氧化和光还原能力。负载NiO助催化剂的钙钛矿型NaTaO3是为数不多的用于紫外光区分解纯水的光催化剂之一,但是NiO颗粒在光催化体系中的作用尚不完全清楚。为了揭示NiO担载在NaTaO3表面上提高光催化活性的原因,我们利用密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,详细研究了NiO（001）/NaTaO3（001）复合结构的界面几何结构、电子结构、电荷传输、光学吸收和能带偏移。计算结果发现Ta-O和O-Ni界面键形成是热力学稳定的,界面的两个组分之间是共价相互作用。界面区域的结构变化对光吸收的影响较小。对电子态密度和能带偏移的分析表明,NiO（001）/NaTaO3（001）复合结构具有II型能带排列,其中NiO的价带顶和导带底均高于NaTaO3的,这使得光生电子在NaTaO3中积累,光生空穴在NiO中聚集。该计算证实了最近关于NiO作为空穴陷阱的实验现象。界面附近的静电势差异作为驱动力促进了电子和空穴向界面不同区域的迁移,这有利于延长光生载流子的寿命,改善NaTaO3体系的光催化活性。我们的结果为理解负载NiO对NaTaO3光催化性能的影响提供了微观解释,这将有助于设计和开发新型半导体光催化剂。SrTiO3是用于光催化分解纯水的很有前景的光催化剂之一,其负载合适的助催化剂,如NiOx可显著提高光催化活性。实验表明,NiOx为金属Ni和NiO的混合物。然而,NiOx/SrTiO3光催化体系中助催化剂的组成、空间分布和功能仍存在争论。我们计算研究了SrTiO3化学计量比（100）表面上Nin（n=1-4）和（NiO）n（n=1、2和4）团簇的吸附性质,并探索了复合光催化剂界面结构和电子结构。结果发现,Nin团簇在SrO表面上比在TiO2表面上更容易发生聚集,Nin团簇在（100）表面上吸附将其费米能级提高到导带区,这将有利于产氢反应发生。计算结果表明,（NiO）n团簇与表面之间的结构相似性对最稳定的吸附构型具有重要影响。对于（NiO）n/SrTiO3复合体系,（NiO）n团簇的占据态在价带顶与（100）表面的电子态充分重叠,这有利于将光生电子和空穴分别迁移到SrTiO3组分和（NiO）n团簇上。DFT分析为SrTiO3表面NiOx的生长提供了重要的理解,并解释了实验上提出的NiOx/SrTiO3光催化剂的不同模型。我们的计算为进一步研究NiOx/SrTiO3复合体系中光催化水分解反应的机理奠定了理论基础。