随着煤、石油等一次性使用的全球能源面临枯竭，并且由其引起的温室效应、酸雨和雾霾等环境问题日益严重，开发和利用新能源、有效控制与治理环境污染已成为世界各国面临和有待解决的重大问题。太阳光能和氢能以其环境友好和可持续利用等特点被公认为是未来世界的主要能源之一。1972年，日本的Fujishima和Honda报道了水在受到光照辐射后会在TiO2电极上自发地分解并生成氢气。此后TiO2因其催化活性高、耐腐蚀、低成本等一系列优点被科学家广泛研究。然而，作为理想的半导体光催化材料，TiO2的光催化应用受到其宽禁带（约3.2eV）的严重制约。本文采用自旋极化密度泛函理论，利用Quantum Espresso（QE）和VASP等模拟软件计算并分析了金属—非金属共掺杂和双非金属共掺杂对TiO2电子结构及光学性质等的影响。研究发现，非金属C/N与过渡金属Re非补偿和补偿方式的共掺杂具有较低的缺陷形成能和较高的结合能，能够有效地改变TiO2的带边、减小带隙，从而高效地增强TiO2光解水的效率。其中，（C，Re）共掺杂对TiO2带边的影响与水的氧化还原电势位匹配的最好，其结果是大幅提高价带顶的同时导带底只有略微地下移，因此，（C，Re）共掺杂可以作为TiO2光解水制氢的理想方案之一。研究还发现，应变和空穴对非金属共掺杂体系有非常显著的影响。当体系存在净余的空穴，在较大原子半径的掺杂原子引起的局域晶格畸变的作用下相邻的两个掺杂原子能够自动耦合成对，在禁带中形成全部电子占据的中间态，有效地改变能带结构，从而提高体系对可见光的响应效率。根据（N，N）和（C，S）共掺杂形成条件的不同，我们提出了一种新的共掺杂机制——空穴应变诱导的耦合掺杂机制，指出（C，S）共掺杂成对是由于S原子引起的局域晶格畸变使体系获得了形变能。这种机制很好的补充了美国新能源实验室的研究者于2010年提出的双空穴诱导的耦合掺杂机制，更好地解释了双受主共掺杂使可见光发生红移的内在机理，可以作为分析实验的依据和未来实验设计的指导。