本文采用第一性原理平面波超软赝势方法,应用Accelrys公司开发的Materials Studio中的CASTEP模块,分别计算了锐钛矿相TiO₂、金红石相TiO₂和TiO₂混晶（钛矿相TiO₂和金红石相TiO₂分别占80%和20%的TiO₂混晶结构）的能带结构、态密度及其光学性质,进而分别探讨了他们的光催化性能。计算结果表明:金红石相TiO₂的能隙比锐钛矿TiO₂的能隙窄,因此金红石相TiO₂内的电子更容易发生跃迁,光响应范围更广。但由于晶体结构的原因,金红石相TiO₂表现出严重的团聚结构和较大的粒度,导致金红石相TiO₂产生的电子-空穴对极易复合,从而导致金红石相TiO₂的光催化活性反而不如锐钛矿相TiO₂的光催化活性强。通过搭建混晶界面的方式计算并分析了TiO₂混晶的光催化性能。从光的吸收能力、光生电子-空穴对的分离效率以及载流子的转移效率三方面,与锐钛矿相和金红石相TiO₂单晶进行对比分析。结果显示TiO₂混晶的电子-空穴对分离率高于锐钛矿相TiO₂、金红石相TiO₂单晶,TiO₂混晶中吸收峰明显红移,表明TiO₂混晶的光催化性能好于锐钛矿相和金红石相TiO₂。又利用密度泛函理论和DMol3程序包对锐钛矿型TiO₂（101）表面复合三（8-羟基喹啉-5-羧酸）铁、三（8-羟基喹啉-7-羧酸）铁和三（8-羟基喹啉-5-磺酸）铁三种敏化剂的敏化机理和电子结构进行了研究。计算结果表明,这些敏化剂经式结构的HOMO（最高占据分子轨道）-LUMO（最低未占据分子轨道）能隙非常小,电子可以很容易地从染料的HOMO轨道激发到TiO₂的LUMO轨道; TiO₂纳米晶吸附染料后,HOMO、LUMO和费米能级都升高,导致吸附染料后开路电压（VOC）升高。这三种敏化染料中,三（8-羟基喹啉-7-羧酸）铁染料的能隙比另外两种敏化染料的能隙大,能够与TiO₂的ELUMO能级很好地匹配。TiO₂（101）表面吸附三（8-羟基喹啉-7-羧酸）铁染料后的费米能级负移值比另外两种染料更大,使得三（8-羟基喹啉-7-羧酸）铁染料对染料敏化太阳能电池的开路电压（Voc）提高作用更明显。因此,吸附三（8-羟基喹啉-7-羧酸）铁染料的化学活性作用比另外两种染料更明显。