TiO₂具有较高的光催化活性,化学稳定性强,没有毒害作用,能耗低等优点越来越受到人们的关注。但是,由于二氧化钛的禁带宽度较宽（3.2eV）,导致其光谱吸收范围较窄,只有在紫外光下才能表现出相应的光催化活性,然而紫外光仅占太阳光的5%,因此其光催化效率较低。另外光生载流子的复合概率较高,也限制了二氧化钛光催化处理污染物的实际应用。离子掺杂能提高二氧化钛光催化效率,稀土原子掺杂二氧化钛可以明显拓宽光谱响应范围,使其吸收波长向可见光方向移动。分子模拟技术能够从原子角度计算出材料的电子结构,阐述其光催化反应的机理,为理论研究奠定基础,并且能够预测催化剂的反应活性。本论文通过Materials Studio计算软件的CASTEP模块计算了La,Ce,Pr,Sm,Gd和Tm等稀土元素掺杂的TiO₂本体能带结构,从电子结构方面阐述了稀土掺杂TiO₂光催化反应机理,并且预测了其光催化反应活性。基于理论模拟结果,采用多种制备方法制备了具有不同分散度、不同形貌的TiO₂纳米材料,考察了其对目标污染物亚甲基蓝的光催化活性,发现水热法所制备的TiO₂材料因具有高分散度和规整度,表现出最好的光催化活性;基于此,我们以水热法制备了Gd、Ce单掺杂及Gd/Ce共掺杂的TiO₂光催化剂,并通过SEM、XRD、BET、UV-Vis和XPS等技术对催化剂进行了表征,探究了Gd和Ce掺杂对TiO₂光催化活性的影响。主要研究内容及结果如下:（1）根据第一性原理计算了稀土元素La,Ce,Pr,Sm,Gd,Tm掺杂的金红石相二氧化钛的能带结构、态密度和差分电荷密度等性质,计算结果显示稀土元素掺杂TiO₂的带隙值均小于未掺杂的TiO₂,且纯TiO₂,Ce-TiO₂,Gd-TiO₂,禁带宽度依次减小,与实验中紫外可见吸收光谱分析结果一致。（2）催化剂表面O/Ti原子比稍大于2,氧含量较高的原因可能是催化剂表面存在Gd₂O₃。由XPS可知,3%Gd-TiO₂,5%Gd-TiO₂,10%Gd-TiO₂三个样品中Gd的实际掺杂量分别为1.21%,1.84%,2.3%,其中,以5%Gd-TiO₂降解亚甲基蓝的速率最快,即当Gd的实际掺杂量为1.84%时,样品的活性最高。（3）Gd掺杂的Gd-TiO₂光催化活性明显高于Ce掺杂的Ce-TiO₂,可能是因为Gd掺杂后Gd-TiO₂内部产生了内建电场,内建电场的存在使电子和空穴的复合概率降低,寿命提高,从而提升了催化剂的光催化活性;而Ce掺杂的金红石TiO₂中会产生杂质能级,使禁带宽度比金红石相TiO₂小很多,发生较明显的“红移”,但由于禁带宽度变小的同时,电子和空穴复合概率增大,使光催化活性降低。这一发现表明,稀土掺杂虽然宏观上都可以使得TiO₂的禁带宽度变窄,但这并不是提高其可见光催化活性的决定性因素,还与掺杂调节禁带宽度的机制有关,对于Gd和Ce等稀土元素而言,内建电场的作用要大于杂质能级的作用。（4）在可见光光源下,Gd掺杂TiO₂具有较高的光催化效率,在35min内可以将模拟污染物亚甲基蓝完全降解,当Gd的掺杂量为1.84%时,Gd-TiO₂与其它的掺杂量相比,加速了光催化反应速率,Ce掺杂TiO₂光催化效果较差,5%Gd/Ce-TiO₂的Gd、Ce共掺杂样品光催化效率居中;并且研究发现在Gd、Ce共掺杂样品中,随着Gd掺杂量的逐渐增多,TiO₂的光催化效率呈现上升趋势。这可能是由于Gd、Ce共掺杂抑制了光生电子和空穴的有效分离,使其光催化活性降低。