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光催化技术在解决当前的能源短缺和环境污染问题方面显示了巨大的潜能,它既可以实现太阳能光催化分解水制氢,又可以利用太阳能降解大气和水体中的污染物。近四十年来,各国学者在研究和开发光催化材料方面已经取得了很大的进展,但是仍面临着太阳光谱响应范围窄和量子效率低等问题,离其大规模高效廉价的工业应用还有一定的距离。因此,拓宽光催化材料的光吸收范围到可见光区和抑制光生电子-空穴复合以提高光催化量子产出效率是当前光催化研究要解决的关键科学问题,对人类实现社会可持续发展具有十分重要的意义。本论文通过对TiO2光催化材料和Bi2WO6光催化材料进行掺杂、构建异质结等改性研究,揭示了改性增强其可见光吸收、促进光生载流子分离和转移及提高光催化活性的机理。本论文共分六个章节：第一章,首先介绍了相关的研究背景——半导体光催化技术的基本原理及影响要素；接着对近年来TiO2光催化材料和Bi基光催化材料在实验和理论计算方面的研究进行了综述；最后阐述了本论文的主要研究内容。第二章,简要介绍了光催化技术的研究方法和手段,包括：（1）光催化样品的实验制备方法和表征手段；（2）密度泛函理论方法的发展历程和本论文所使用的计算程序。第三章,对含有束缚单电子氧空位（简写为SETOV或Vo·）的TiO2进行V掺杂并研究了体系中Vo·和V协同增强光催化氧化丙烯的机理。以钛酸（H2Ti2O4 （OH） 2）纳米管（简写为NTA）作为钛源、以偏钒酸铵溶液（NH4VO3）作为V源,采用温和的固态烧结法制备了V掺杂含有大量Vo·的锐钛矿相TiO2纳米颗粒（简写为V-TiO2-Vo）。由基于密度泛函理论的计算结果讨论了样品的稳定性和电子态密度；通过XRD、Raman、 TEM、XPS、ESR、UV-vis DRS等实验表征技术对样品的晶相、结晶度、价态、组份、比表面积、光吸收和光催化活性进行了表征。实验表征和理论计算相结合的结果表明V掺杂剂一部分由V5+离子通过SETOV还原成V4+离子成功掺杂进入了TiO2晶格,同时V5+离子还以V205的形式存在于催化剂的表面；在500℃的退火温度下所制备的1%V-TiO2-Vo样品对丙烯的光氧化降解活性最高,且明显地高于NTA、P25-TiO2、 N-TiO2-Vo和V-P25-TiO2。V-TiO2-Vo样品光催化活性,光催化性能提高的原因可能是两方面协同作用的结果：一方面,由于新出现的杂质能级（O 2p和V 3d在价带顶附近形成了新的杂质能级；Ti 3d、O 2p和V 3d杂化在导带底附近形成了新的杂质能级）使得样品的带隙变窄引起可见光吸收增强；另一方面,V4+/V5+氧化还原对的存在使得光生电子（e-）和空穴（h+）进行了有效地分离和转移。第四章,Zn替位Bi掺杂Bi2WO6对Bi2WO6光催化活性的影响。采用第一性原理计算方法,研究了不同浓度下的Zn、Gd替位掺杂对Bi2WO6晶体结构、稳定性、电子结构、带边位置和光催化反应率的影响。研究发现12.5% Zn掺杂替位Bi晶格位形成的Bi2WO6Zn0.25WO6是最稳定的,Bi1.75Zn0.25WO6在增强光吸收、促进光生电子和空穴分离和提高光催化反应率（R） （R ∝ QE · α,其中QE为量子效率,Ｐ为光吸收能力）方面存在以下几点优势：首先,Bi1.75Zn0.25WO6沿不同方向载流子的迁移率有很大差别,且呈层状结构,使它有较高的QE；其次,当用Zn2+取代Bi3+离子时,可以引起原子的重排和结构畸变,使得价带顶Bi的立体活性孤对效应增强,导致带隙减小和价带顶处电子态密度增加,因此Bi1.75Zn0.25WO6可以吸收大量的光子而展示出增强的可见光吸收能力；第三,由于Zn掺杂,Bi2WO6的价带和导带上移,使得光生电子有足够的能量与氧分子反应形成活性自由基（.O2-和·OH）避免了不利的光生电子和空穴复合。第五章,石墨烯（简写为GR）、Bi2WO6（简写为BWO）复合异质结的界面特性及光催化活性增强机制。构建了GR/BWO（010）异质结,采用第一性原理计算确定了BWO（010）不同终端面及GR/BWO （010）界面的稳定性,详细研究了GR/BWO （010）复合材料的稳定性、电子结构性质、电荷转移和可见光响应特性。差分电荷和Bader电荷分析表明GR和BWO（010）面之间以共价键相结合,这种共价相互作用使GR具有小的带隙；GR的带间跃迁和BWO（010）面表面态的吸收使GR/BWO（010）的吸收谱扩展至整个可见光区甚至红外区。在内建电场和带边势阱的作用下,光生电子由BWO的导带流向GR,这样GR用作光生电子的收集者和传输者明显地降低了光生电子和空穴对复合的几率,同时使得光催化反应不仅可以在GR表面发生也可以在BWO的表面发生。减少的光生载流子复合可能对GR/BWO（010）纳米复合材料增强的可见光催化活性起主要作用。结果表明用低成本的GR代替贵金属来开发高性能的复合光催化剂是一种有效的途径。第六章,对全文的主要结论做了总结,同时对将来的研究工作进行了展望。