对于搜寻在可见光波段下的光催化剂材料来说,材料能带结构以及光吸收性质能为我们的搜寻工作提供极大的帮助。所以计算材料的基态性质、激发态性质(能带结构和光吸收谱)显得极为重要。本文中运用基于密度泛函理论的广义梯度近似得到九种TiO2多型体的能带结构,并且运用GW方法方法对布理渊区中高对称点的能级能量进行修正。随后,运用DFT-GGA方法得到的波函数以及GW方法得到的屏蔽函数W和修正过后的能量值,通过求解两体贝特-萨尔皮特方程得到有关激发态的性质。全文共分为六章。第一章主要介绍光催化反应的原理和近年来TiO2材料实验上的主要进展,以及我们研究的目的和意义。第二章中,我们详细阐述了计算的理论基础,从赝势的定义、密度泛函理论到多体微扰理论(GW方法和贝特-萨尔皮特方程)。第三章中,我们主要介绍怎样产生一个有效的模守恒赝势以及计算的相关参数。第四章中,我们运用DFT-GGA+D+U方法精确计算了九种TiO2多型体的晶格参数,并且讨论了他们之间的相对稳定性。第五章中,我们研究了九种结构TiO2的能带结构、态密度以及光吸收谱等方面的性质。本文主要成果如下:1.通过对声子态密度的计算,发现了一个理论上可能存在的新相——鳞石英相。运用多体微扰理论,得到其禁带宽度和光吸收谱。发现其禁带宽度(5.67eV)均大于其他八种结构的TiO2。其静态介电函数为2.4,可以和现今发现的低介电函数材料相媲美。2.运用DFT-GGA+D+U的计算方法,精确得到九种结构TiO2的晶格参数。相较于其他理论计算,正确描述了锐钛矿的晶格参数(晶体中c轴的长度),以及金红石、板钛矿、锐钛矿三相在0 GPa下焓的相对大小关系。分析了九种相在0 GPa~70 GPa下的相对稳定性。3.运用广义梯度近似得到了九种结构TiO2的能带结构,并且运用GW方法对布理渊区中高对称点的能级能量进行修正。其中,黄铁矿、氟石两相的禁带宽度满足可见光波段光催化剂的要求(2eV~3.1eV)。金红石、铌铁矿两相的直接带隙宽度和间接带隙宽度十分接近,表明其具有准直接带隙结构。斜锆石相和锐钛矿的禁带宽度十分接近,氯铅矿相和金红石的禁带宽度接近。本文在理论计算上第一次给出了铌铁矿、斜锆石、氯铅矿、黄铁矿等Ti02相的能带结构。4.通过求解两体贝特-萨尔皮特方程,得到了九种结构Ti02的光吸收谱。发现在可见光波段下,氟石相以及黄铁矿相均有较高的光吸收效率,并且斜锆石相在b轴方向上也具有一定的光吸收效率。在紫外光波段下,锐钛矿的光吸收效率最高。