二氧化钛纳米管是一种极具潜力的可充电锂离子电池的负极材料。我们采用密度泛函理论针对锂离子在二氧化钛纳米管的嵌入位点及扩散性质这两个关键问题进行了理论研究。同时氧空位是改善材料性质的一种有效的方法,特别是在目前二氧化钛纳米管的合成工艺中还无法完全消除的情况下。电子结构计算表明不论氧空位缺陷是否存在锂离子都可以稳定吸附在管子的内外表面。氧空位对锂离子扩散影响的系统研究表明,二配位的氧缺陷对锂离子的扩散有积极的影响,最稳定扩散路径的能垒从0.8 eV左右减小到0.5 eV左右。相比而言,一维锐钛矿纳米管的锂离子的扩散比体相锐钛矿(0.623 eV)和其他材料纳米管(>1.8 ev)更有优势。运用从头算的非绝热动力学方法,我们研究了Au2,团簇和Pyrene染料分子之间的电子转移和能量弛豫过程。绝热和非绝热机理共同作用于电子转移过程。其中绝热机理占主导,绝热电子态的占据数与电子局域随时间的演化反映了电子转移的机理,其电子转移的时间常数为140 fS。我们同样模拟得到了Pyrene的光激发态能量弛豫时间为17.5 ps,远远大于电子转移的时间尺度,充分说明了荧光的猝灭是来源于Au到pyrene之间快速的电子转移,pyrene跃迁产生的空穴会被Au能级上的电子快速填满,阻止了荧光的产生。我们的结果很好的解释了实验现象,并提供了其中关键的机理。本论文应用第一性原理计算的方法,对二氧化钛纳米管和金纳米团簇进行了系统的研究,为这两种纳米材料作为新型能量存储材料和新型光电转换材料提供了相应的机制和理性设计的思路。