随着计算机技术的快速发展,理论计算与模拟的方法逐渐被应用于实验研究中。理论计算与模拟在光催化领域的应用不仅有助于人们对光催化反应机理的研究,且为传统宽带隙半导体光催化材料的改性研究和开发新型光催化材料的探索提供理论验证和指导。近年来,钛酸钾(K₂Ti₆O₁₃)因其优异的性能和较低的制备成本,引起了越来越多研究者的广泛关注,特别是作为光催化材料。然而钛酸钾的带隙值（3.45 eV）较大,只能响应波长较短的紫外光。为了实现K₂Ti₆O₁₃对可见光的响应进而提高其光催化性能,本课题采用第一性原理方法研究3d过渡金属（Sc、V、Mn、Fe或Cu）和4d过渡金属（Zr、Nb、Mo、Ru或Ag）掺杂后K₂Ti₆O₁₃的电子结构和光学性质。计算结果表明:3d过渡金属（Sc或V）以及4d过渡金属（Zr、Nb或Mo）掺杂后K₂Ti₆O₁₃的带隙值变化很小,因此这些过渡金属的掺杂没有实现K₂Ti₆O₁₃对可见光的响应。由于杂质能级的作用,3d过渡金属（Mn、Fe或Cu）和4d过渡金属（Ru或Ag）的掺杂实现了K₂Ti₆O₁₃对可见光的响应,且Cu掺杂对K₂Ti₆O₁₃的改性效果远好于Mn或Fe掺杂对K₂Ti₆O₁₃的改性效果,Ag掺杂对K₂Ti₆O₁₃的改性效果远好于Ru掺杂对K₂Ti₆O₁₃的改性效果。为了对计算结果进行验证,本研究又通过溶胶-凝胶和水热法制备了Fe或Ag掺杂前后的钛酸钾一维纳米材料。通过X射线衍射、能谱仪、扫描电子显微镜和紫外-可见光谱对Fe或Ag掺杂前后钛酸钾一维纳米材料的结构与性能进行了测试与分析。结果表明:Fe或Ag掺杂未改变钛酸钾的晶体结构和纳米线状形貌且实现了其对可见光的响应。这证明了文中计算所建模型和计算结果是正确合理的。此外,Fe或Ag掺杂前后的钛酸钾对罗丹明B染料具有很好的降解能力。当掺杂的浓度较低时,Fe或Ag的掺杂均提高了钛酸钾的光催化活性。金属离子掺杂钛酸钾一维纳米材料有望成为一种极具发展前景的新型高效的光催化材料。