近年来，面对日益严重的环境污染和能源短缺问题，科研工作者希望通过提高资源利用率和寻找新型可再生能源的方法来实现人类社会的可持续发展。一方面在传统化工领域，人们在以“绿色催化”为目标的基础之上不断地探索和研究清洁化技术。通过新型高效催化剂的使用来实现化学反应的高选择性、高活性，同时尽量避免副产物的产生以达到保护环境的目的。另一方面，开发和利用新型可再生能源也是解决当前能源和环境问题的一个重要途径。其中作为第三代太阳能电池代表的染料敏化太阳能电池(DSSC)以其自身独特的优势正在被广大科研工作者所关注。然而，无论是前者化学反应中使用的催化剂，还是后者染料敏化太阳能电池中的染料分子都离不开特定的过渡金属配合物。　　在传统化工领域，手性仲醇不仅在合成药物、香料、精细化学产品等工业上有着重要的应用，同时本身也是非常重要的终产物。因此，如何通过催化剂实现高效的转移氢化酮以获得手性仲醇已经成为重要的研究课题之一。前不久，实验上合成了一种新型带有顺磁性的钌(Ru)配合物。实验测试数据表明这种钌(Ru)配合物在催化效率，选择性以及热稳定性上都有着良好的表现。但是我们对于配合物分子本身的顺磁性以及高催化活性的来源却尚不清楚。对比这个领域丰富的实验工作，理论研究工作就显得相对匮乏。因此，对此类过渡金属配合物催化性质的理论研究就显得非常必要。　　另一方面，在应对环境和能源危机的挑战时，染料敏化太阳能电池以其自身的优势逐渐成为继硅基太阳能电池之后最有希望的传统能源替代品。经过近二十年的研究和发展，染料敏化太阳能电池的效率不断被刷新。其中作为太阳光的吸收剂的染料分子，是染料敏化太阳能电池的核心组成部分之一。其性能的优劣将直接对整个电池的效率起决定性作用。最近文章报道了一种锌卟啉过渡金属配合物在作为敏化剂时可能具有比YD2-o-C8更好的效率。鉴于卟啉基过渡金属配合物中不同中心金属的引入有可能导致许多新有趣的磁学性质和光学吸收性质的产生，并可能使过渡金属配合物具有优秀的电荷注入效率以及再生效率，所以前期相关的理论研究工作是十分必要的。　　目前，基于密度泛函理论的第一性原理方法已成为凝聚态物理和材料科学等领域开展研究的重要工具。本论文借助DFT/TDDFT理论模拟计算，结合分子轨道和半导体物理等理论对上述不同领域内具有特殊用途的几种过渡金属配合物的相关性质进行探索和研究，涉及的材料物性包括几何结构、电子结构及光学性质等，并对实验上具有争议的一些问题给出了合理的解释。针对转移氢化过程中的催化剂—钌(Ru)的过渡金属配合物进行了理论模拟重构，分析了中心金属钌(Ru)与配体之间的成键机理，揭示了电子结构及其催化性能之间的关系。对于染料敏化太阳能电池的研究中，本论文通过四种不同卟啉基过渡金属配合物的对比研究，理论上提出了三种潜在的具有较高效率的染料分子，并总结出了一些有价值的规律用于指导后续试验的合成工作。本论文总共分为五章:　　第一章，概括叙述了过渡金属配合物在转移氢化及染料敏化太阳能电池等不同领域的研究背景及现状。　　第二章，简要介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关能量泛函为主线。从最初的局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)到现在的杂化泛函，使计算结果的精确度越来越高。最后对本论文计算工作所采用的主要程序ADF进行了简要介绍。　　第三章，研究了一种在转移氢化酮反应中具有高选择性和稳定性的钌(Ru)配合物。对该配合物分子的几何结构、电子结构及分子性质的第一性原理计算分析表明Ru-P的离子型成键类型是导致键长拉长的根本原因。同时离子型的成键也导致中心金属Ru附近聚集更多的正电荷，这在极性溶液的反应环境中对反应效率的提升有积极意义。研究结果也证实了中心金属钌(Ru)的价态为+3价，与实验猜测的结果一致。此外，我们还确定了顺磁性的来源主要在中心金属钌(Ru)附近（约1μb）。而对于分子前线轨道能量相对位置的分析揭示了催化剂的高活性来源是强烈的分子轨道间的相互作用。　　在第四章中，我们研究了在染料敏化太阳能电池中作为染料分子的四种不同卟啉基过渡金属配合物的几何构型、电子结构及其光学性质。计算结果表明理论提出的三种新的卟啉基过渡金属配合物是潜在的具有较高效率的染料分子。而且传统磁性过渡金属的引入使染料分子有了新的磁性特征，这将有效的防止了染料分子之间产生聚集现象。TDDFT的计算得到的吸收光谱显示Cd染料分子对比Zn染料分子具有更加宽的光吸收范围。而且，Cu和Fe的染料分子同时在红外光区域有了相应。此外，Cd和Cu的引入抬高了染料分子的最低占据轨道(LUMO)，使得激发电子相对于TiO2的导带底有更大的注入驱动力。这势必增加电荷的注入效率。在结合TiO2的计算结果表明引入的磁性过渡金属Cu和Fe将成为染料分子还原再生的促进位点。综上所述，这三种具有不同过渡金属的染料分子对于染料敏化太阳能电池的效率的提升可能有潜在的应用价值。　　第五章对本论文进行了总结，并对以后工作做了展望。本论文在密度泛函理论框架下研究了几种具有不同功能的过渡金属配合物的电子结构及其光学性质。在第三章的工作中，我们对实验结果做出了很好的解释的同时，在理论上找到了钌（Ru）配合物在转移氢化酮过程中具有高催化活性的来源。而在随后的第四章则通过系统全面的对比计算，找到了三种潜在的具有较高活性的染料分子，同时揭示不同过渡金属的引入对于染料分子的光学性质，磁学性质的影响。为今后实验探索合成更加高效、环保的分子材料提供了理论参考。