金属-π电子低维体系展现出很多新奇且有趣的物理现象，能够广泛地应用于微电子学技术、信息处理和存储以及清洁能源领域。本论文采用第一原理方法研究了一维有机金属分子线、金属-石墨烯和金属-富勒烯三种金属-π电子低维体系的电子性质和磁性质，并对其潜在应用展开讨论。一维复合有机金属分子线由于其选材面广、物理性质可调控，是一种有应用前景的半金属材料。复合有机金属分子线中的半金属性和铁磁性/反铁磁性源自于有机配体传递的相邻过渡金属中心之间d电子的耦合所决定的价电子布居。我们提出一个简单通用的“竞争性电荷转移”模型用于预言复合有机金属分子线中的半金属性。利用这个模型，我们发现了一系列的半金属性铁磁体以及一种潜在的半金属性反铁磁体。此外，利用石墨烯的衬底辅助作用形成的分子磁体自主装配，我们设计了可承载自旋极化流，用于自旋电子学的分子线。实现基于石墨烯的电子学，迫切需要大面积、高质量石墨烯的商业化制备技术以及将石墨烯兼容于当今的硅基半导体工业。我们发现金属锂插层能够实现外延石墨烯在碳化硅衬底上的脱附，并且重现石墨烯优异的线性Dirac能带结构。对于脱附机制以及锂穿透外延石墨烯的动力学过程的进一步深入研究，很好的再现并解释了实验的观测结果。而在石墨烯/过渡金属/碳化硅的三明治结构的研究中，首次发现强束缚石墨烯体系也可以呈现的线性Dirac能谱。其物理起因是石墨烯π电子与衬底调制的过渡金属d电子之间的相互作用。这种作用最终导致了Dirac费米子从石墨烯向过渡金属的转移。虽然此时的电子Dirac能谱具有明显的d电子属性，但是在偏压小于0.6伏的范围内，除了费米速度降低为一半，其表现得几乎和自由石墨烯中的一样。最后，我们研究了钙修饰的碳/硼碳富勒烯和碱金属（锂，钠和钾）吸附的硼富勒烯在储氢中的应用。金属原子能够牢固而分散的吸附在富勒烯的多边形中心，形成稳定的金属-富勒烯复合体。通过计算储氢的质量密度比和氢分子的结合能，反映出该体系的储氢能力。此外我们还讨论了储氢机制和体系的循环利用可能性。