基于二氧化钛(TiO2)的光催化材料具有光催化活性高、稳定性好、对人体无毒、成本低等特点,在光催化分解水、太阳能电池和环境保护等领域具有广阔的应用前景。然而,大的禁带宽度(金红石结构:3.0eV,锐钛矿结构:3.2eV)导致纯TiO2在光催化中对可见光的吸收利用率很低,而光生电子和空穴的复合也会一定程度上降低纯TiO2的光催化效率。因此,通过掺杂来降低TiO2的能带和防止TiO2中电子和空穴的复合已经成为一种调控TiO2光催化性能的重要手段,逐渐引起人们的高度重视。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了各种掺杂体系的电子结构及其相关的光谱吸收等性质,从微观角度揭示了通过掺杂降低TiO2的能带和防止TiO2中电子和空穴复合的机理。主要的研究内容和研究结果如下:(1)利用密度泛函理论加U(GGA+U)的方法计算了(Nb+Sb,C)共掺杂金红石型TiO2体系的电子结构和光学性质,在该体系中我们用一个铌(Nb)和一个锑(Sb)原子来替换纯TiO2的钛(Ti)原子,用一个碳(C)原子来替换纯TiO:的氧(O)原子。这种替换掺杂体系目前尚未见报道。研究结果表明(Nb+Sb,C)共掺杂TiO2体系的禁带宽度只有1.8eV,它可以很好的吸收可见光,提高TiO2的光催化性能,我们预测这将是一种优良的光催化剂。(2)利用GGA+U的方法研究了(N,Sn)掺杂锐钛矿型TiO2的电子和光学性质,并对Sn-,(N,Sn)和(2N,Sn)掺杂锐钛矿TiO2体系进行了计算。这种替换掺杂体系的理论研究目前尚未见报道。结果显示出Sn单掺杂和(N,Sn)共掺杂体系并不能降低锐钛矿TiO2的带隙能,而两个相邻的O被N取代和任意一个Ti用Sn取代之后的(2N,Sn)掺杂体系使得锐钛矿TiO2的带隙明显下降。相反,两个相距比较远的O被N取代和任意一个Ti被Sn取代之后的(2N,Sn)掺杂只能使TiO2的带隙有微小的下降。这是由于相邻的O在被N取代之后,产生了N-N耦合键,使得掺杂体系的能带降低。这一理论结果对N-Sn共掺杂TiO2表现出的明显的光催化活性的实验研究结果提供了合理的解释。(3)利用GGA+U的方法计算了F掺杂浓度对锐钛矿型TiO2和TiO2(101)表面的电子结构,研究中分别用1到4个F原子对TiO2进行掺杂。有关这方面的理论研究目前尚未见报道。结果发现,F掺杂造成了体系的电子不平衡,出现多电子的现象。随着F掺杂浓度的逐渐增大,这种电子不平衡的现象越来越严重,导致了晶格缺陷,从而增大其可见光吸收率,提高了TiO2的光催化活性。相应的理论结果将对实验工作具有一定的指导意义。