TiO2是一种广泛应用的无机金属氧化物半导体材料，利用掺入杂质来改善TiO2的光催化和光电转换性能已成为近年来研究的热点。采用密度泛函理论体系下第一性原理的平面波超软赝势方法研究了单N 掺杂、单Cu掺杂和N-Cu共掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质。结果表明：N与Cu共掺杂后，由于N2p电子与Cu3d电子协同作用，在TiO2禁带中产生了新的杂质能级。其中一条处于稳态，另一条处于亚稳态，电子跃迁能有效减小，更有利于光生电子-空穴对有效分离，大大改善了TiO2的光催化性能。N 与Cu 共掺杂使TiO2 的光吸收系数曲线在可见光区发生了比单N 掺杂和单Cu掺杂更大的红移，反射率也增大。

提高TiO2光催化活性已成为近年研究的热点。选取第一过渡金属Cu 与Cr 共同掺杂金红石相TiO2，运用基于密度泛函理论体系下的平面波超软赝势方法探讨了Cu-Cr 共掺杂对金红石相TiO2电子特性和光学性质影响的微观机制。结果表明：Cu-Cr 共掺杂TiO2在禁带中形成了5 条新的杂质能级，其中价带顶的一条杂质能级主要是Cu3d 轨道的贡献，而费米面附近的4 条亚稳态杂质能级主要由Cr3d 轨道和O2p 轨道相互作用产生，有效减小了电子的跃迁能，改善了TiO2的光催化活性。Cu-Cr 共掺杂也改善了TiO2的光学性质，使光谱红移，反射率增大，对可见光的吸收和反射能力比单掺杂更稳定。

基于密度泛函理论, 采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质. 计算结果表明: 纯金红石的禁带宽度为3.0 eV, Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21 eV, 导带顶和价带底都位于G点处, 仍为直接带隙, 在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级；Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85 eV, 在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成, 导带和价带都向低能级方向移动；Co-Cr共掺杂, 由于电子的强烈杂化, 使O-2p态和Ti-3d 态向 Co-3d 和 Cr-3d态移动, 使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动, 极大地减小了禁带的宽度, 也是共掺杂改性的离子选择依据. 掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动；在E<2.029 eV的范围内, 纯金红石的ε2、k和吸收系数为零, 掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度, Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂, 说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁, 具有更佳的可见光催化性能.

通过非金属与金属共掺杂二氧化钛(TiO2)来改变TiO2光学性质以拓展其在光催化和光电转化领域的应用是近年来研究的热点。采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法，模拟计算了氮与铂族金属(Ru,Rh,Pd)共掺杂金红石相TiO2的几何结构、能带结构、态密度、光学性质以及缺陷形成能。计算结果表明：单掺N以及N-Ru、N-Rh、N-Pd共掺杂金红石相TiO2都在一定程度上改善了对可见光的利用效率，其缺陷形成能大小顺序依次为N-Pd、N-Rh、N-Ru，这说明共掺条件下N-Ru最容易掺入TiO2晶格，但是在可见光的大部分波长范围内N-Rh共掺极大地改善了光的吸收率和反射率。

表面羟基是TiO2表面性质的一个重要组成部分, 是TiO2光催化活性的一个重要影响因素。 在光催化反应过程中, TiO2的表面羟基不仅能够与光生空穴反应生成羟基自由基（OH·）, 而且还可能成为有机物的吸附中心而改变反应物的吸附形态并影响反应物分子的催化反应, 因此, 研究TiO2的表面羟基有助于更深刻理解光催化反应机理。 本工作以金红石TiO2为研究对象, 在自制的原位红外测试系统中探测了样品在经过不同温度真空处理后, 样品表面羟基的数量、 种类和分布的变化; 以甲苯为反应探针分子, 采用原位FTIR技术研究了不同表面羟基对甲苯的吸附作用和光催化反应性能。 结果表明, 金红石TiO2表面含两种热稳定性不同的羟基, 一类是在高温下保持相对稳定的孤立羟基, 其红外吸收波数在3 724, 3 700, 3 652 cm-1, 其中3 652 cm-1的吸收强度最大; 另一类是热稳定性较差的氢键羟基, 其红外吸收波数在3 648, 3 610, 3 413, 3 362 cm-1, 这些羟基在热处理温度为250 ℃时几乎消失。 在吸附甲苯的过程中, 只有吸收波数在3 648, 3 610和3 652 cm-1的羟基强度减小, 是甲苯的吸附中心, 而其余羟基几乎不变。

非金属掺杂金红石相TiO2使它的光学性质发生改变，拓展其在光催化和光电转换领域的应用是近年来的一个热点。基于密度泛函理论的平面超软赝势方法对C单掺杂、N单掺杂、S单掺杂以及C-N共掺、C-S共掺、N-S共掺TiO2的超晶胞进行电子性质和光学性质的计算，包括能带结构、电子态密度、介电常数、吸收光谱和反射光谱等。非金属元素的掺杂都使得TiO2禁带宽度减小，吸收光谱和反射光谱发生红移，在一定程度上改善了TiO2对可见光的利用，但非金属双掺杂比单掺杂对可见光的利用率更高。研究表明：在可见光高能区400~575 nm范围内，有C元素的掺杂比其他几种掺杂的吸收系数和反射率更高，而在可见光低能区575~760 nm范围内，有N元素的掺杂比其他几种掺杂的吸收系数和反射率更佳。因此C-N共掺对可见光的利用比其他非金属掺杂体系更好。

采用水解法在323 K制备了比表面积较大的纳米金红石TiO2光催化剂, 并通过X射线衍射（XRD）、 BET比表面积测试法、 紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、 红外光谱（IR）和光电化学（PEC）测量对纳米光催化剂进行了表征。 以甲基橙为光催化反应的模型化合物, 在比表面积相近的条件下, 对纳米金红石和锐钛矿TiO2光催化剂的光催化活性进行了评价。 光催化实验结果表明: 比表面积为～95 m2·g-1时, 比表面积相近的金红石和锐钛矿的紫外光催化活性相当, 但金红石的可见光催化活性明显高于锐钛矿的可见光催化活性。 光电化学实验表明: 在紫外光照射下催化剂的光电流密度从弱到强的顺序与其紫外光催化活性从低到高的次序一致。