能源枯竭和生态环境恶化是当今世界面临和亟待解决的两个重大课题。在众多的解决方法中，以半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一项极具应用潜力的技术，近年来已成为国内外上最为活跃的研究领域之一。TiO2由于其良好的化学物理性质而成为理想的光催化剂，并引起广泛的关注。但是作为一种宽禁带的半导体氧化物，锐钛矿相TiO2只有在紫外光激发下才具有光催化活性，但是太阳光中的紫外光仅占有很小的比例(约5％)。由于太阳能提供充足的光子能量，其中可见光占有相当大的比例(约45％)，所以TiO2对太阳能的利用率是相当低的。此外由于其光生电子．空穴对极易复合，导致其光量子产率也很小。因此发展具有合适的能带结构而能被可见光激发的高效(高量子产率且具有极强的氧化还原能力)TiO2光催化剂是当前光催化研究领域极具挑战的课题。为此研究者提出了许多改性方法，如离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合及染料敏化等。在这些的改性方法中，离子掺杂被认为是一种有效可行的提高其在可见光下光催化活性的方法。在目前众多离子掺杂TiO2的研究，大多数的研究把重点放在光催化剂的应用性能上，导致重复性研究十分严重。另一方面，对其改性机理的研究猜想多于证据，并且由于样品制备及实验过程中采用的工艺条件各不相同，而影响TiO2光催化活性的因素极其复杂，同时由于缺少杂质元素对TiO2电子结构影响的详细研究，从而导致很难对不同离子掺杂作出直接的比较及得出统一结论。与实验研究相比，由计算机模拟而进行的理论计算分析可以克服实验因素的影响、澄清离子掺杂对其晶体结构及电子结构的影响，因此更有利于深入分析离子掺杂改性的机理。为了进一步系统地研究不同离子掺杂锐钛矿相TiO2对其在可见光照射下光催化性能的影响，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对不同离子体系(3d过渡金属离子、非金属离子、镧系稀土离子及贵金属离子)掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质进行了理论计算，并与文献中报道的实验结果进行对比，阐明了离子掺杂的TiO2在可见光照射下具有比纯TiO2更高的光催化活性的原因。基于理论计算的结果，本文得到了以下一些主要结论： 1、纯锐钛矿相TiO2的理论计算结果与实验测量结果符合得相当好，证明所采用的计算方法和计算模型是合理的、可行的，所得到的计算结果是可信的。 2、离子掺杂改变了TiO2的能带结构，由掺杂离子的外层价电子态与O的2p电子态或Ti的3d电子态杂化而在禁带中形成杂质能级，从而使TiO2的光谱响应范围向可见光区拓展。杂质能级在禁带中的位置不同，对TiO2光催化性能的影响也将不同。 3、不同离子掺杂的杂质形成能与离子电子构型、离子半径相关，而离子掺杂对光催化性能的改善也与这两个因素密切相关。 4、引入杂质离子后，由于晶格畸变、电子上电荷分布的变化等因素使TiO2中八面体的偶极矩增大，从而使光生电子．空穴对得到有效的分离，这是离子掺杂能够显著改善TiO2光催化性能的重要原因。 5、由于掺杂浓度较低，大多数离子掺杂对TiO2的带边位置的改变不是相当明显，从而使离子掺杂的TiO2光催化剂在实现可见光响应的同时，保持了其原有的强氧化还原能力。 综上所述，本文的研究工作达到了预期的目标，其主要结论对理解和进一步发展能被可见光激发的TiO2光催化剂具有重要的理论意义。论文的创新点主要体现在以下几个方面：(1)采用合适的计算方法和计算模型，得到了锐钛矿相TiO2准确的晶体结构、电子结构和光学性质；(2)系统地分析比较了不同离子体系掺杂锐钛矿相TiO2的影响，澄清了不同离子在掺杂体系中的作用；(3)根据计算结果从理论上设计了一种能被可见光激发的高效TiO2光催化剂。