锐钛矿TiO₂作为一种重要的半导体光催化材料,具有无毒、价廉、稳定性好和催化活性高等优点,在太阳能转换和环境净化等诸多领域都具有重要应用。但锐钛矿TiO₂的带隙较宽,可见光利用率比较低,因此有必要对锐钛矿TiO₂进行改性研究以提高其光催化活性,而过渡金属掺杂是TiO₂改性最常见且有效的方法之一。本文采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法,通过对相关电子结构和光学性质的计算与分析,系统研究了同周期的十种4d过渡金属（Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag和Cd）和三个族的七种常见过渡金属（Fe、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag和Au）的中性原子在锐钛矿TiO₂（101）面上的掺杂改性,研究结果表明:（1）不同过渡金属掺杂对锐钛矿TiO₂（101）面的光催化性能具有不同影响,这主要与掺杂后的禁带宽度、费米能级位置、杂质能级形成位置以及过渡金属原子的最外层电子排布等有关。（2）不同过渡金属的最佳掺杂方式是不同的。其中,Y、Ru、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu和Au等的最佳掺杂方式多为O位吸附掺杂;Tc、Cd、Fe和Pt等多为Ti位吸附掺杂,而Zr、Nb和Mo等则以间隙掺杂为主。（3）过渡金属掺杂能够使费米能级上移至导带或禁带中,并在导带、价带和禁带中引入杂质能级,还可能使禁带宽度减小,从而提高TiO₂（101）面的光催化活性,其中杂质能级主要由过渡金属的d电子态构成。（4）除Ag掺杂外,其余4d过渡金属掺杂的可见光响应强度随着掺杂元素原子序数的增加而逐渐降低,而具有较大原子序数的Ag掺杂由于其特殊的外层电子排布也具有较强的可见光响应。（5）同族过渡金属中,Fe、Cu和Ag掺杂具有最佳的可见光响应,这主要由于它们的费米能级上移至导带内,容易引起电子的带内跃迁;其次Ni掺杂由于在禁带中引入了杂质能级,使吸收带边红移,也具有强烈的可见光响应。本文通过对不同过渡金属原子掺杂改性锐钛矿TiO₂（101）面系统深入的研究,揭示了TiO₂光催化剂的催化活性与其表面电子结构、光电子特性之间的控制机制,研究结果可为新型TiO₂光催化剂的结构设计与改性提供理论依据和数据支持,并为其它材料的过渡金属掺杂提供研究思路和方法。