二氧化钛,一直以其无毒无害、化学性质稳定、光催化能力强、廉价易制备等优良特性备受学者关注,也在解决能源利用以及环境治理问题等方面发挥重要的作用。但是由于它有较宽的禁带,只在紫外光区发生响应,对可见光的利用率很低,TiO₂的光催化活性也相对较低。研究TiO₂掺入杂质离子或表面吸附气体分子的微观特性,对于提高其光催化活性和为实验的研究提供理论依据都具有重要意义。采用基于密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理平面波超软赝势法。首先,构建Cu-C、N、F分别单掺杂和共掺杂锐钛矿相TiO₂结构模型并进行模拟计算,研究其受主能级的协同作用特点。计算结果表明:Cu-N共掺杂体系和Cu、N分别单掺杂体系对可见光利用效果均优于其他体系。而由于Cu、N两种元素产生的两种受主能级协同作用导致Cu-N共掺杂体系对可见光的相应效果最佳。其次,又构建了N-Sc、V、Cr、Mn、Fe共掺杂锐钛矿相TiO₂结构模型并进行模拟计算。结果发现:各掺杂体系对可见光吸收能力的排序为N-Fe>N-Cr>N-Mn>N-Sc>N-V>N。这一结果验证了双受主能级协同作用有利于光激发的同时,还发现Cr原子中的4s轨道为未满状态,容易与p电子轨道杂化形成光生电子的俘获中心,这是导致N-Cr共掺杂体系的光催化活性明显优于N-Mn共掺杂体系的原因。第三步,研究了锐钛矿相TiO₂（101）表面吸附NH₃和H2O的微观机制。其中在含氧空位表面吸附NH₃分子后,费米面附近出现了新的能级,改变了锐钛矿相Ti O2（101）面对可见光的响应能力,呈现出最好的光学性质。这为该材料作为光学气敏传感材料提供理论依据。最后,研究了与氧的原子序号相邻近的非金属B、C、N、F掺杂TiO₂（101）表面吸附NH₃的特性与作用机理。结果表明:掺杂后的表面吸附NH₃的效果明显优于未掺杂表面。而C掺杂后的表面有最大的吸附能,吸附稳定后有最小的吸附距离,是几种体系中最稳定结构。通过分析Mulliken电荷分布以及分态密度图发现:在费米面附近掺杂原子贡献越强的电子态密度,NH₃分子与掺杂原子之间有越小的电荷转移的净值,吸附距离越小,吸附能越大,吸附越稳定。