近年来,二氧化钛（TiO2）由于在清洁能源获取和环境保护等领域的应用潜力,在实验和理论方面都引起了广泛的关注。纯锐钛矿相TiO2本身就具有诸多优点,如n型导电性质、光腐蚀的稳定性、无毒且含量丰富、催化活性高等,但是,它的宽带隙（3.2e V）降低了其充分吸收太阳光的可见光区域（该区域占太阳光能量的45%）;此外,纯锐钛矿相TiO2的光生电子-空穴复合效应很容易发生,导致大部分光生载流子不能迁移到有机物表面进行反应,影响光催化的反应效率。因此,为了降低纯锐钛矿相TiO2的带隙值,改善其在可见光波长范围的光吸收,限制或减少复合效应的发生概率,提高光催化效率,国内外学者对TiO2进行了各种改性研究。在各种改性办法中,金属掺杂可以成功地克服以上不足之处,从而有效地提高TiO2光催化效率,但是许多金属掺杂研究只集中于3d过渡金属元素的掺杂,对4d过渡金属元素掺杂TiO2还缺乏系统的研究。本文基于密度泛函理论下的第一性原理计算方法,使用GGA+U计算研究了4d过渡金属元素掺杂和氧空位缺陷两种调控与优化方式对TiO2的能带结构和电子性能的影响,从而对锐钛矿相TiO2功能材料本身缺陷的改性方式有清晰的理解,为推动TiO2半导体光催化功能材料的发展和大规模应用提供理论支持。（1）首先,经过测试确定理论计算截断能为400 e V和K点为5×5×2,GGA（即U=0）计算得到纯锐钛矿相TiO2的理论平衡晶格常数为a=b=3.829（?）、c=9.769（?）,接近实验值a=b=3.785（?）、c=9.512（?）,用GGA+U（U=1,…,10）方法计算纯锐钛矿相TiO2的各种参数和性能（包括晶格常数、带隙、形成能等）,可为下一步研究4d金属元素掺杂和氧空位缺陷的超晶胞TiO2奠定基础。（2）其次,构建4d过渡金属掺杂TiO2所使用的超晶胞模型,对于不同元素掺杂确定GGA+U计算中U值的大小,按照掺杂计算结果将4d过渡金属掺杂分为三类掺杂特性,每类特性选取一种元素进行系统的分析研究,对于n型Mo掺杂TiO2的GGA+U计算U值的合理选择应为1-3 e V,Mo掺杂的TiO2材料有望成为较为优异的光催化功能材料;对于p型Y掺杂TiO2的结果表明掺杂系统的电子性质没有发生改变,带隙也没有显著降低,单个Y掺杂TiO2的光催化效果并不理想;对于Tc掺杂TiO2的U值为3的结果是较为合适的,此时下间隙小于上间隙,能够提高可见光的光吸收,对光催化过程比较有利。（3）第三,在进行4d金属元素掺杂TiO2时,不同价位的金属掺杂会引进氧空位,而且对于锐钛矿相TiO2氧化物,由于自身的晶体结构特点,本身就会有氧空位存在,所以研究掺杂金属和氧空位之间的相互作用是很有必要的,因此,对比研究了氧空位存在对Mo掺杂TiO2能带结构和电子性能的影响,结果表明Mo+Vo掺杂TiO2的体系带隙内出现了更多的中间态,间隙态在能带分布更均匀,能够解释实验下Mo+Vo空位簇的掺入可以显著提高TiO2的光催化活性,这表明Mo掺杂和氧空位缺陷起协同作用;形成能计算表明Mo掺杂情况在实验中更容易发生,Mo掺杂比Mo+Vo掺杂更稳定;同时研究了不同Y掺杂浓度下的氧空位对掺杂金属离子TiO2的能带结构和电子性能的影响,Y+Vo掺杂对比单个Y掺杂情况使带隙出现了一个中间态,但没有改变系统的电学性质,Y+Vo+Y掺杂使中间态消失,费米能级向VB偏移,Y+Vo+Y团簇在掺杂Y的TiO2超晶胞中是最可能的掺杂和缺陷组合方式,这种排列方式有助于对Y掺杂TiO2的实验研究提供正确的方向。（4）最后,对本论文进行了研究总结,以及研究过程中不足之处的展望。