全球范围内研究人员广泛关注能源匮乏和环境污染两大问题。在环境污染治理和光催化应用等领域,TiO₂因其化学性质稳定、无毒无害、容易制备、光催化能力强等特点而被广泛使用,有利于解决环境问题和能源匮乏。然而TiO₂的光催化活性还比较低。通过掺入杂质离子,降低光生空穴和光生电子的复合几率,从而TiO₂的光学性质得到了改善。另外研究TiO₂表面吸附气体分子的微观和光学特性,可以为TiO₂光学气敏传感器的实验研究提供理论参考。本论文主要研究内容如下：运用密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理,计算了非金属与金属掺杂和双金属掺杂TiO₂。分别是：N与过渡金属Sc,V, Cr,Mn, Fe共掺锐钛矿相TiO₂以及Cu-Cr共掺金红石相TiO₂,进而分析了其能带结构、电子态密度、Mulliken电荷分布以及光学性质。分析表明：与纯TiO₂相比,各掺杂体系在可见光区的光吸收均增大,共掺杂体系尤其突出。从各掺杂体系在可见光区光吸收的能力来看,并非随着掺杂原子序数的增大而增大,而实际排序为N-Fe> N-Cr> N-Mn> N-Sc> N-V>N。Cu和Cr掺杂TiO₂有效阻止了光生电子和光生空穴发生复合,光谱发生红移,从而增强了光吸收能力,光催化活性也明显改善。其改善能力顺序依次为：Cu-Cr共掺>掺Cu>掺Cr。随后研究了锐钛矿相TiO₂（101）面和金红石相TiO₂（110）面吸附气体小分子（水、氨气和甲烷）。研究发现：有氧空位的表面和无氧空位表面相比,前者更易吸附气体分子,分子的极化率直接关系到吸附稳定性强弱和吸附能的大小,分子极化率越小,吸附稳定性就越弱,反之就越稳定。这是因为气体分子负电荷中心被有氧空位的表面吸附。同时含氧空位表面和（NH₃,H₂O,CH₄）发生了电荷转移,吸附方式都是化学吸附。吸附后,负电荷中心原子O、N、C携带的电子都向各自的表面进行了转移,新的态密度峰在导带底形成,表面吸附气体后有利于TiO₂电阻特性和光学特性的改善,吸附后导带底出现新的杂质能级,在不同程度上提高了TiO₂表面的光学特性,其中锐钛矿相TiO₂（101）面吸附三种气体小分子中,吸附NH₃改善效果最好。金红石相TiO₂（110）面吸附三种气体小分子中,吸附H₂O改善效果最好。以上结果可为提高TiO₂光催化性能的实验研究提供理论参考。最后通过计算气体小分子（HF,HCl,HBr）在金红石相TiO₂（110）面的吸附,研究TiO₂氧空位的氧化还原特性。计算分析表明：分子的偶极矩是影响吸附稳定性和吸附能的因素之一,分子偶极矩越小,吸附稳定性越弱,反之越强。分析态密度和光学特性,表面吸附（HF,HCl,HBr）分子后在导带底生成了新的杂质能级,能不同程度地增强了TiO₂（110）表面的光学特性,其中吸附HF效果最好。吸附后HF与HCl分子带上了负电,HBr分子带上了正电。通过比较分析,可以得到TiO₂氧空位的氧化性定量大小介于Cl₂和Br₂之间,因此TiO₂氧空位和卤素单质的氧化性从大到小依次为：F2, Cl2, TiO₂氧空位,Br₂。TiO₂氧空位的还原性定量大小介于HBr和HCl之间,TiO₂氧空位和卤化氢的还原性从大到小依次为：HBr, TiO₂氧空位,HCl, HF。