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多相半导体光催化是太阳能光催化分解水制氢研究的热点课题。在众多的半导体光催化剂中,TiO2由于无毒、廉价、稳定等优点一直受到人们的普遍关注,成为光催化理论的研究核心。然而由于TiO2是宽带隙半导体,光利用效率和光量子产率较低,使其应用受到了限制。本文的目的是通过离子掺杂对TiO2进行改性,提高光催化效率。本文采用溶胶-凝胶法,以Ti（OC4H9）4为原料,Co（NO3）2·6H2O作为掺杂离子给体,制备了Co掺杂TiO2光催化剂,并对其进行了XRD、XPS、UV-vis等分析测试,考察不同制备条件对催化剂晶相结构及组成的影响。用所制备的催化剂进行光催化分解水制氢的研究,考察了Co掺杂比例、焙烧温度等因素对光催化剂制氢性能的影响。另外,基于第一性原理的密度泛函理论,采用Materials Studio4.0中的CASTEP模块模拟计算了锐钛矿TiO2及Co掺杂锐钛矿TiO2的几何结构参数、能带结构、态密度及其光吸收系数,结合实验结果探讨了Co对TiO2的光催化制氢活性影响的机理。实验结果表明:Co掺杂抑制了TiO2锐钛矿相向金红石相的转变及晶粒的增长;Co的掺杂在不降低紫外光吸收的同时,使TiO2光吸收带明显的红移,光吸收范围扩展到可见光区;Co以Co2+形态存在,可以有效抑制光生电子和空穴的复合,进一步提高光催化活性;制氢结果显示:Co掺杂TiO2光催化剂的活性明显高于未掺杂并且具有很好的光学稳定性,当焙烧温度为500℃、Co掺杂比例为2.0%时,催化剂的催化性能最好,产氢速率达到103.04μmol·h-1。计算结果合理的解释了实验现象:Co的掺杂使TiO2稳定态的能量增加,对应体积变大,能量在催化剂体内积累及体积膨胀的消耗,导致TiO2锐钛矿相向金红石相的转变的温度提高了;Co2+离子的掺杂改变了TiO2能带结构,减小了带隙能,Co的3d轨道分别参与了价带和导带的组成,并且在价带和导带之间形成了新的杂质能级,还可以有效的分离光生电子和空穴,减少两者的复合,过多杂质能级同时也为空穴和电子提供了新的复合中心,所以在实验中Co有一个最佳掺杂比例;Co掺杂使TiO2的光吸收系数阈值发生红移（>400nm）,并在可见光区表现出一定程度的吸收,这和UV-vis检测结果基本吻合。