人类社会在高速发展的同时，面临着日益严峻的能源和环境问题，可持续发展受到挑战。为了解决这些问题，科学家们开展了大量的基础研究和应用研究。其中，氧化钛(TiO2)材料被认为在新能源开发和环境保护领域有巨大应用前景。本课题组采用材料化学工程的方法，长期立足钛酸盐材料，以较低的成本制备了具有高比表面积和高热稳定性等优点的介孔TiO2材料。该材料在催化、光催化和电化学等领域表现出优异的性能，但是这些材料在应用过程中也时常会表现出稳定性不高等问题。现有的实验表征手段解决这些问题的能力有限。计算机模拟能够在微观层面上探索材料的表面性质、研究化学反应的机理。本文采用密度泛函理论方法针对TiO2材料在加氢脱硫和光催化还原CO2研究领域遇到的一些问题展开研究。具体研究内容如下:　　首先，针对TiO2材料作为催化剂载体在对含硫化合物进行加氢脱硫实验中遇到的问题，研究了加氢还原产物H2S在TiO2-B(100)表面的吸附行为，同时考查了不同羟基化表面对H2S吸附的影响。H2S分子在清洁TiO2-B(100)表面的吸附能为11.0 kcal/mol，在部分羟基化TiO2-B(100)表面的吸附能为13.7 kcal/mol。表面羟基的存在增强了H2S分子的吸附，这会造成实验过程中H2S分子难以从该表面脱附，导致加氢还原反应效率的低下。而在全羟基化TiO2-B(100)表面，H2S的吸附能减弱至8.4 kcal/mol，H2S分子从该表面脱附变得相对容易。由此可见，不同羟基化程度的TiO2-B表面会带来加氢脱硫效率的不稳定性。　　接着，研究了TiO2材料作为光催化剂在光催化还原CO2过程的一些重要问题，研究了CO2和H2O在Anatase(101)表面的共吸附情况。当CO2单独吸附在Anatase(101)表面时，最稳定的吸附构型为直线型;而当与H2O共吸附时，最稳定的吸附构型变成弯曲型，同时吸附能从单独吸附时的-2.4 kcal/mol提高到共吸附时的6.1 kcal/mol。因为表面H2O对CO2的作用改变了CO2的偶极矩，使得CO2更易于接受Anatase(101)表面的电子，从而表现出弯曲的构型。H2O的存在能够对CO2进行预活化，这将有利于CO2的进一步加氢还原。另外，考察了在Anatase(101)表面当H2O解离吸附生成表面羟基时，CO2与表面羟基作用形成的碳酸氢根的构型。碳酸氢根通过2个端基O与表面的五配位Ti成键。整个过程放热2.9 kcal/mol，说明碳酸氢根确实可以在Anatase(101)表面稳定存在。　　最后，对CO2在Anatase(101)表面经过两步加氢还原分别生成甲酸和CO的过程进行了研究。CO2加氢还原为HCOOH的过程为，一个表面H原子先进攻CO2的C原子生成甲酸根，接着另一个H再进攻甲酸根生成HCOOH，该过程放热23.8 kcal/mol。这个过程涉及的中间体的能量相对较低。而CO2还原为CO的过程为，两个H先后进攻CO2的同一个O原子，从而生成H2O和CO，该过程放热8.8 kcal/mol，其中的中间体的能量也比较高。从热力学角度看，生成HCOOH的过程比生成CO的过程更为有利。　　综上所述，本文通过密度泛函理论计算针对TiO2在加氢脱硫和光催化还原CO2实验中遇到的一些问题展开了研究，从微观角度对这两个反应中出现的一些现象和问题进行了讨论。这些研究结果可以为后续的实验工作提供了一些指导和帮助。