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能源短缺和环境污染一直是当今社会发展所面临的两大难题。半导体光催化技术是利用太阳能制取清洁能源、净化环境的有效策略之一。自光催化技术问世以来,科研人员已经投入巨大努力开发高效的光催化材料。目前,在众多的光催化材料体系中,金属-半导体复合材料,特别是等离子体金属-半导体复合材料,由于其特有的局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR）效应,一方面可以利用共振吸收拓宽传统半导体光催化材料的光谱响应范围,另一方面利用局域电场增强提高量子转换效率,从而显著提高太阳能转换效率,成为光催化技术领域的研究热点。金属Cu相比于其他等离子体金属具有产量丰富、价格低廉和等离子体共振吸收峰位于可见光区域的优点。因此,将Cu与TiO2半导体结合构筑高效光催化材料,有望实现大规模生产应用。然而,普通球形Cu纳米颗粒在约580 nm处产生LSPR效应,而其电子的带间跃迁从价带到费米能级发生在大约590 nm以下的波长处,LSPR效应和带间跃迁之间的重叠导致Cu纳米粒子的LSPR效应的大幅衰减;另一方面,Cu纳米颗粒的易氧化性质也会对其LSPR造成影响。基于此,本论文通过有限时域差分法和第一性原理计算系统研究了Cu/TiO2复合异质结构的LSPR效应产生、调控;Cu的氧化物（即Cu2O）的存在对Cu的LSPR效应和Cu/TiO2异质结构光催化性能的影响,并且探索了在实际条件下一些实际因素对LSPR效应的影响。主要研究内容与结果如下:（1）首先我们采用溶胶-凝胶法和湿化学法成功地制备出Cu/TiO2复合纳米球,并通过降解甲基橙评估了Cu的LSPR效应在光催化中的积极作用。然后通过时域有限差分法模拟不同构型的Cu/TiO2纳米球的LSPR效应。改变入射光方向、纳米球尺寸、环境介质常数等实际参数,详细讨论Cu/TiO2纳米球的LSPR效应变化规律及趋势。通过第一性原理计算分析Cu/TiO2产生LSPR效应的内在机制。计算结果表明:当Cu纳米球逐渐沉入TiO2纳米球中形成核-壳构型时,Cu纳米球的LSPR吸收可以逐渐红移而移出带间跃迁区域并得到有效的激发。通过态密度分析,Cu/TiO2异质结构的界面态是产生这些红移的关键因素。在“担载”、“嵌入”和“核壳”三种Cu/TiO2构型中,预计“嵌入”构型能有更为出色的光催化性能,因为该构型受光入射方向的影响较小,能有效激发的LSPR波长和局部电场强度,并为光催化氧化还原反应提供更多的反应活性位点。（2）通过有限时域差分法仿真了Cu逐层氧化为Cu2O形成Cu@Cu2O核壳结构的LSPR特性。基于实验中的SEM图像,合理的构建了可能存在的Cu/Cu2O/TiO2三元光催化剂的全部构型。并通过第一性原理计算了Cu/Cu2O和Cu2O/TiO2二元异质结构的界面性质。计算结果表明:Cu/TiO2异质结构中存在Cu2O能将LSPR峰直接移出带间跃迁范围之外。Cu@Cu2O/TiO2这种构型明显地削弱了由Cu纳米球的LSPR效应而产生的局域电场强度。然而,Cu/TiO2/Cu2O构型（其中Cu核和TiO2纳米粒子可以直接接触）成功地改善了由Cu核的LSPR效应产生的界面电场强度。此外,以Cu/TiO2/Cu2O构型引入了法诺共振,以进一步增强界面电场。同时,由Cu核的LSPR效应产生的热电子很容易越过Cu/TiO2界面下的肖特基势垒。通过对电子结构的分析,Cu/Cu2O/TiO2三元复合光催化剂中可能存在三种能带结构,并详细讨论了可能的电子转移过程。（3）通过时域有限差分法模拟了不同构型、不同排列方式、不同周期、以及发生氧化后的Cu纳米球阵列/TiO2复合光电极的LSPR特性。计算结果表明:当紧密排列的六角Cu纳米球阵列完全沉入到TiO2薄膜中的吸收增强是最优的,且不影响TiO2在紫外光区域的吸收。并且由于Cu纳米球之间的散射效应和Cu与TiO2的强相互作用,使得在450-550 nm波长内出现一个强的吸收,从而实现Cu纳米球阵列/TiO2复合光电极在300-1000 nm范围内的宽光谱响应。此外,在六角纳米球阵列中发生四极模式振荡有利于入射光耦合到下方的TiO2,以促进TiO2的光吸收。然而,Cu2O的存在减弱了Cu纳米球的LSPR效应,但是Cu2O覆盖层的存在可以提高在500 nm波长附近的光吸收,且提供了新的界面用于光生载流子的分离以及更多的反应活性位点用于还原反应。综合考虑,间隙为2 nm的六角纳米球阵列可能大幅增强光电化学体系光电极分解水的性能。本文通过有限时域差分法和第一性原理计算相结合,系统地研究了Cu/TiO2异质结构中LSPR效应的产生机制,并提出通过改变Cu与TiO2的相对位置调控LSPR移离Cu的带间跃迁区域的有效方法;详细地分析了Cu2O氧化层的存在对Cu纳米球LSPR效应的影响机制,以及明确了Cu2O在分离光生载流子中起到的积极作用;通过构筑周期性Cu纳米球阵列大幅提高Cu的LSPR效应应用于光催化分解水反应。以上结果为实现Cu/TiO2复合光催化剂的大规模的实际应用提供了理论基础。