随着全球能源消耗和对环境污染问题的高度重视,开发新的清洁的可再生能源势在必行。太阳能作为一种可持续的清洁能源引起了人们的极大兴趣。利用太阳能驱动的水分解可以储存丰富的太阳能,并生产绿色的氢气和氧气。利用半导体光催化剂分解水是目前大规模太阳能制氢的一种简单、经济的方法。二氧化钛TiO2因其低成本、储量丰富、无毒且稳定性高而被广泛研究。除了研究较多的体相材料外,二维L-TiO2纳米片也逐渐走进人们的视野,由于其独特的结构性质,已成为光催化水分解的研究热点,然而其中的反应机理还处于研究空白。TiO2由于其本征缺陷使光催化效率受阻,金属离子掺杂是提高其效率最有效的策略之一。然而一般都使用过渡金属,很少使用碱土金属。近几年,实验上发现碱土金属Mg掺杂可以消除TiO2本身的缺陷态,这无疑是对光催化反应有利的。研究掺杂Mg的TiO2的光催化水分解反应机理也是很有必要的。多体格林函数理论是目前研究电子结构最先进且计算结果最精确的理论方法之一。在本文中,利用该理论中的GW方法和第一性原理的密度泛函理论分别对二维L-TiO2纳米片和掺Mg的锐钛矿（101）面进行光催化水分解的反应机理研究,为进一步理解TiO2光催化水分解反应以及光催化剂的设计提供了一些理论基础,主要研究内容和结果如下:一、利用密度泛函理论和多体格林函数理论研究了二维L-TiO2纳米片光催化水分解的反应机理,揭示了在光催化水分解中的反应势垒和空穴转移途径。与体相金红石型TiO2相比,L-TiO2纳米片在光催化水分解反应中的优势在于关键的反应中间体Ti-OH具有良好的光生空穴捕获能力,这对氧化半反应是极为有利的。然而,Ti-OH相对于前驱体的稳定性较差是限制L-TiO2纳米片进行水分解反应的不利因素,可能会对纳米片的光催化效率产生巨大的影响。此外,我们发现在L-TiO2纳米片上引入Ti空位会使纳米片变成p-型半导体,可以使桥接氧原子成为水分解的活性位点,而且整个光催化反应的能量呈下降趋势,这样水分解反应更加容易进行。在L-TiO2纳米片上引入Ti空位可能是提高光催化效率的有效途径之一。二、实验上已经用X射线光电子能谱（XPS）分析了 Mg掺杂TiO2的表面化学成分,结果表明在TiO2表面下至少前3-5个单层中存在Mg原子。我们通过第一性原理的密度泛函理论也证实了这一结果,发现Mg原子的掺杂位置越靠下,体系就越不稳定。此外,与未掺杂的锐钛矿TiO2相比,掺杂Mg之后的水解离位点由原来的五配位Ti原子变为桥接氧,所形成的水解离产物也大不一样,而且掺杂Mg之后所形成的水解离产物更加稳定。