能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。新能源、新材料的发展是推动科技进步的强大动力。TiO₂由于其突出的光催化性能和诱人的应用前景，一直备受人们关注。但是由于TiO₂的禁带宽度较大，人们一般对其进行掺杂改性以期实现可见光吸收能力。最近研究表明，对TiO₂有选择性地进行不同离子的共掺杂，可以利用离子间的协同作用进一步拓展其光吸收范围，。此外，对于固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极积碳和硫毒化的研究，通常认为是C和S牢固的吸附在Ni阳极的表面，覆盖了阳极反应活性面，导致性能下降，而有研究指出在Ni阳极中引入Cu，可以有效的改善积碳和硫毒化现象。本文采用第一性原理计算方法分别计算了TiO₂二元共掺杂：（N、Fe）共掺杂TiO₂、（N、S）共掺杂TiO₂和（N、C）共掺杂TiO₂的晶体结构和电子结构，并对其光学性质进行分析，研究了二元共掺杂时阴阳离子之间的协同作用对TiO₂可见光吸收能力的影响；同时研究了N、C掺杂浓度对TiO₂电子结构的影响。此外，我们还分别研究了C原子和S原子在金属Ni（111）面、Cu（111）面和Ni-Cu合金（111）表面的吸附，对其吸附位置、吸附后的结构变化、吸附能和电子密度进行了详细的分析，从理论上解释Ni-Cu合金用作SOFC阳极时能够实现抗积碳和抗硫毒化的微观机制。本文主要结论如下：（1）N、Fe共掺杂引起TiO₂的晶格结构发生畸变，导致体系中产生偶极矩，从而促进光生电子-空穴对的分离；掺杂导致TiO₂的禁带宽度变小，使光吸收范围扩展到可见光区；阴阳离子的协同作用使禁带中产生杂质能级，提高TiO₂的可见光吸收能力；二元掺杂TiO₂可以得到比单掺杂更高的可见光吸收能力。（2）S在TiO₂中取代Ti原子，以阳离子形式存在；N、S单掺杂和共掺杂都能引起TiO₂禁带宽度的减小；N、S间相互作用形成了杂质能级，杂质能级的存在提高了TiO₂对太阳光的利用率；并通过实验验证了计算结果。（3）C在TiO₂中取代Ti原子，以阳离子形式存在；N原子2p态主要作用于价带顶，而C原子2p态作用于导带底；N原子掺杂浓度对TiO₂电子结构的影响并不明显。当C原子掺杂浓度为2.08%时禁带宽度最小，可以得到最好的可见光吸收能力。（4）C和S在Ni和Cu的（111）面上洞位吸附最稳定； C、S原子在Ni/Cu和Ni-Cu合金（111）面上的吸附都引起表面最外层原子向表面外移动，导致层间距变大；Cu的引入可以降低C和S的吸附能，有效地缓解SOFC阳极积碳和硫毒化现象。C在Ni（111）面吸附很牢固的原因是Ni3d与C2p轨道之间存在很强的杂化作用，Cu的加入可以减弱这种杂化作用；对于S原子的吸附，由于Cu3d与S3p轨道杂化形成的反键态位于费米面以下，有电子占据，可以与一部分成键态中和，因此Cu的加入也可以减小S原子的吸附能。