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锐钛矿相TiO2作为一种优异的半导体光催化材料,具有良好的化学稳定性、低成本、制备简单和无毒等优点,在光电催化领域一直是研究热点。但由于其较宽的禁带宽度(3.23eV),只能在紫外光(波长<384nm)下才显示出催化活性,大大限制了TiO2在光催化技术领域的实际应用。为了提高TiO2对可见光的利用率,众多实验和理论研究表明在TiO2晶格中引入杂质原子是改善其电子结构,减小带隙,提高TiO2光催化活性的最有效手段。因此,本文中通过第一性原理计算,研究了非金属元素(C,N,B)、金属元素(V, Cr, Mn, Fe,Co,Ni, Cu,Nb)掺杂对锐钛矿相TiO2几何结构,形成能,态密度,电荷分布以及光学性能的影响,并同样计算了以上金属和非金属元素补偿共掺后的性能变化。计算结果表明,非金属掺杂对TiO2几何结构的影响较小,C,N掺杂后晶格依旧保持对称性,而B掺杂后局域晶格畸变严重；C,N掺杂的缺陷形成能较小,B掺杂最大；C掺杂对TiO2的电子结构有较好的改善作用,尤其是在C掺杂浓度为4.17 at%时,带隙最大减小至2.28eV,在掺杂浓度较低时,掺杂后TiO2的电子结构则主要和掺杂位置有关,几乎不受浓度影响。B,N掺杂在引入中间能级的同时使带隙有轻微减小；C,N掺杂后吸收带边明显向可见光区域发生了移动,而B掺杂后,吸收带边却向蓝光区域发生了移动。金属掺杂后晶格对称性均未被破坏,但晶胞体积有着不同程度的减小；金属掺杂相比非金属掺杂在常规环境下形成能更低;金属掺杂后导带和价带均有不同程度的向低能量方向移动,并普遍在禁带中引入了中间能级,其中Cr掺杂使带隙减小程度最大,达到2.82eV;Cr,V掺杂后均给体系带来了较为明显的吸收带边红移现象。Co,Ni,Nb掺杂后,吸收带边普遍移动至400nm附近。而Mn, Cu, Fe掺杂则不利于TiO2光吸收能力的提升。金属和非金属补偿共掺后,体系中非金属对几何结构带来的影响要优于金属；两种元素共掺普遍比单掺形成能更高,而在相邻位再加入一个非金属元素,体系形成能普遍变得更低；在单掺情况中出现在禁带中间的杂质能级由于金属提供补偿电子而消失,电子结构得以改善,带隙也大大降低,其中Fe2B掺杂构型的带隙达到2.12eV；补偿共掺后电子结构较好的CrC, NiC, Fe2B, Cr2N, NiBN掺杂构型,在紫外光区域和可见光区域的光吸收系数都有不同程度的增大。NbN, VN, CoN, MnN, VNC掺杂构型也表现出不同程度的轻微红移现象,而CuB, NbB, CuNC, NbNC掺杂后TiO2的吸收带边反而产生了一定程度的蓝移,并且在可见光区域的吸收系数也有所减小,对TiO2光催化性能不利。