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最早发现TiO2具有光催化性质的是两名日本科学家Fujishima和Honda并于1972年对此研究做出报道，从此TiO2在光催化领域备受关注。锐钛矿TiO2带隙宽度公认的大小为3.2eV，仅可以吸收波长范围在380nm左右的紫外光，因此吸收可见光的能量很小。同时，受光激发的电子-空穴十分容易复合，不利于延长电子寿命。研究发现将锐钛矿TiO2中掺杂离子是提高半导体可见光性能最有效的方法之一。稀土具有特殊的电子结构容易产生多电子组态，利用稀土作为掺杂剂可以使吸收光波长范围扩大，从而改善TiO2的光催化性能，具有巨大的研究潜质。 实验研究Pr掺杂对锐钛矿TiO2的光电性能影响的报道中，对于Pr单掺后带隙宽度和吸收光谱的变化情况存在两种相反的结论：发生红移和蓝移现象的情况都有报道。为了解决这个问题，本文采用第一性原理方法对纯的、Ti0.875Pr0.125O2和Ti0.9375Pr0.0625O2超胞模型进行计算并分析Pr掺杂前后体系的能量、带隙宽度、吸收光谱，研究发现掺入Pr后吸收光谱出现红移现象，吸收强度增强。随着Pr掺杂量的增加，带隙宽度越来越小，光催化效果越好。 非金属和稀土共掺锐钛矿TiO2的施主能级浅移化趋势与非金属和过渡金属共掺锐钛矿TiO2不同，但是目前理论计算这方面的报道很少见。因此，本文构建了纯的、TiO1.9375N0.0625、Ti0.9375Ce0.0625O2、Ti0.9375Ce0.0625O1.9375N0.0625超胞模型，基于密度泛函理论框架下用第一性原理平面波超软赝势方法，对所有的模型进行优化和能量计算。结果表明：以纯的锐钛矿TiO2为参照，两种掺杂体系的带隙宽度都减小，共掺体系施主-受主协同作用使可见光效应更明显，并且，由于杂质能级的产生可以有效分离电子和空穴，电子寿命更长。本研究发现，稀土Ce与非金属N双掺锐钛矿TiO2施主能级浅移化趋势不如过渡金属Fe-N双掺时明显，这是因为稀土本身特殊的电子层结构引起的屏蔽作用造成的影响。 笔者发现对锐钛矿TiO2分别双掺Ce-(C,N)的第一性原理系列研究尚不多见。因此，本文在上一部分研究的基础上，建立了Ti0.9375Ce0.0625O1.9375C0.0625和TiO1.9375C0.0625超胞模型，对离子掺杂后引起的TiO2的结构变化和光催化性能做出微观机理分析。同时将两种共掺体系的晶体结构、电子结构以及吸收光谱进行全面对比，发现非金属C，N与稀土Ce双掺体系都具有单掺体系所不具备的优势，两种原子共掺时稀土与非金属之间存在协同作用使吸收光谱红移更显著，并且光生电子-空穴对的复合率降低，电子增加，可见光响应增强。同时，发现Ce-N共掺时的形成能较低，比Ce-C共掺杂容易，体系总能量低，稳定性高。但是Ce-C共掺时的带隙小于Ce-N共掺时的带隙宽度，吸收光谱红移更显著，综上所述，Ce-C共掺锐钛矿TiO2比Ce-N共掺锐钛矿TiO2可以更加有效的改善光催化活性。