二氧化钛（TiO₂）由于具有高氧化能力、良好的化学稳定性、无毒性以及制备成本低廉等独特的优势,被认为是一种极具应用前景的环境友好型光催化材料。然而,宽带隙的TiO₂只能吸收太阳光中的紫外光,而对占太阳光能43%的可见光却没有响应能力。为提高TiO₂对可见光的利用率及其光催化活性,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对Bi/N、S/Ce、Si/S共掺杂TiO₂,以及含氧空位（OV）的Bi和Ce掺杂TiO₂体系的电子与能带结构及光学性质进行了系统研究。主要的研究工作和结论如下:（1）系统研究了Bi/N共掺杂锐钛矿相和金红石相TiO₂的晶体结构、电子能带结构和光学性质。结果表明:Bi/N共掺杂锐钛矿相和金红石相TiO₂均表现出显著的可见光吸收增强效果,其能带带边具有良好的氧化-还原能力。其中,Bi/N共掺杂锐钛矿相TiO₂无论在紫外光区还是在可见光区的光吸收强度均明显高于纯TiO₂以及Bi和N单掺杂的锐钛矿相TiO₂;而Bi/N共掺杂金红石相TiO₂则在400⁴71.6nm波长范围内,表现出高于纯金红石相TiO₂以及Bi和N单掺杂金红石相TiO₂的光吸收强度。此外,在Bi/N掺浓度相同的条件下,相比于Bi/N共掺杂锐钛矿相TiO₂体系,Bi/N共掺杂金红石相TiO₂表现出更高的可见光吸强度。（2）研究了含OV缺陷与Bi掺杂锐钛矿相TiO₂的电子能带结构和光学性质。结果表明:Bi掺杂锐钛矿相TiO₂中进一步引入OV后,体系的带隙宽度虽有所收缩,但仍然大于纯锐钛矿相TiO₂的带隙宽度,因而其光吸收谱发生显著的蓝移。另一方面,TiO₂的导带底出现一浅的施主能级,而且费米能级穿过导带底,从而导致Bi/OV共掺杂锐钛矿相TiO₂在460nm以上的可见光区,显示出远高于纯TiO₂和Bi单掺杂锐钛矿相TiO₂的光吸收强度;同时,在Bi与OV的协同作用下,TiO₂的导带带边形成了更强的还原能力。（3）研究了Bi掺杂浓度对金红石相Ti1-xBixO2的电子能带结构和光吸收性质的影响。结果表明:Bi单掺杂的金红石相TiO₂尽管带隙发生了明显宽化,但掺杂体系在400⁶00nm可见光区的光吸收强度却明显高于纯TiO₂。随着Bi掺杂浓度降低,Ti1-xBix O2带隙宽度显著减小,导致杂质能级与导带底的交叠逐渐分离,从而形成孤立的中间能级。当Bi掺杂浓度降低时,Ti1-xBix O2在可见光区的光吸收强度呈现出不断衰减的趋势;而在514.9nm以上的可见光区,更低浓度的Bi掺杂反而导致更高的吸收能力,这种增强的可见光吸收能力可归因为此时禁带中形成的间隙态作用。（4）构建了两种S和Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂超胞体系,一种为阴离子与阳离子共掺杂体系,另一种为双阳离子共掺杂体系。结果表明:两种S/Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂体系均显示出强烈的可见光吸收响应,同时能带边呈现优异的氧化还原能力。掺杂浓度研究发现:阴离子与阳离子共掺杂的TiO₂在可见光区的光吸收强度,随着S/Ce共掺杂浓度的增加而不断增强。同时,对含OV缺陷的Ce掺杂锐钛矿相TiO₂的电子能带结构和光吸收谱进行了初步的探讨。结果发现:在OV缺陷与Ce离子的协同作用下,TiO₂的带隙宽度出现了明显的窄化;并且导致TiO₂的可见光吸收强在Ce单掺的基础上有了进一步的增强。（5）系统研究了Si/S共掺杂锐钛矿相TiO₂的晶体结构、缺陷形成能、电子能带结构和光学性质。结果表明:Si/S共掺杂TiO₂在可见光区的光吸收能力明显高于纯的TiO₂、Si单掺杂和S单掺杂TiO₂,且随着S掺杂浓度的增加,Si/S共掺杂TiO₂带隙中的杂质能级与价带顶的交叠更加紧密,从而导致更小的带隙宽度,以及更高的可见光吸收强度。尤其是,在合适的Si/S共掺杂浓度下,TiO₂的能带带边位置可满足光解水的基本要求。