在环境污染和能源危机愈演愈烈的今天，以半导体TiO2为催化剂的光催化技术不仅能利用光能处理空气中或水中的有害物质，还能利用光能把水直接转化为绿色清洁能源氢能，因而可从根本上解决当前人类所面临的环境和能源问题。但是，TiO2是一种宽禁带半导体，其禁带宽度约为3.20eV，只能吸收波长小于387nm的紫外光，而紫外光的能量仅占太阳光能量的5％左右，导致TiO2对太阳光的利用率较低，极大地限制了TiO2在光催化方面的应用。因而，有效地拓展半导体TiO2在光催化反应中的光谱响应范围，进而改善其在可见光范围内的光催化能力，是人们研究TiO2这种光催化材料的不竭动力。从TiO2光催化反应的历程来看，光催化反应主要发生在TiO2的表面。因此，针对TiO2表面的研究，不仅有助于揭示TiO2表面形貌的微观特征，还对提高TiO2的光催化效率有着更加普遍的现实意义。对于金红石TiO2(011)-2×1表面而言，它不仅首次为我们呈现出了一种复杂的金属氧化物表面原型，而且其禁带宽度的实验测量值仅为2.10eV，与之相匹配的波长约为590nm，极其完美地匹配了可见光的光谱响应范围。但是，目前对于金红石TiO2(011)-2×1表面的研究主要集中在实验方面，因此有必要用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理（First-principles）计算方法对该表面的结构和性质进行系统的研究。金红石TiO2(011)-2×1表面具有复杂的重构结构，加之目前尚无关于该表面结构模拟方法的报道，给相关的理论研究带来了极大的困难。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，在构建金红石TiO2(011)-2×1表面结构的同时，提出了模拟该表面重构结构的方法，突破了该重构表面在理论计算方面中的瓶颈。在此基础上，我们用局域密度近似（LDA）方法计算了金红石TiO2(011)-2×1表面的电子结构和光学性质。其中，金红石TiO2(011)-2×1表面在LDA下的禁带宽度为2.08eV，与实验测量值2.10eV非常接近。不仅如此，金红石TiO2(011)-2×1表面的光吸收边正好处于可见光区域，并且光吸收边对应的光子能量大约为2.01eV，验证了该表面对可见光有较强的响应能力。虽然基于密度泛函理论的第一性原理计算方法能提供传统实验所无法提及的数据资料，但局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）在处理含d电子或f电子等的强关联电子体系时，由于低估了这些电子间的多体关联效应，导致其在电子结构方面的计算并不能给出令人满意的结果。为了进一步对金红石TiO2(011)-2×1表面的电子结构和光学性质进行研究，我们用DFT+U近似方法处理了Ti-3d电子间的交换关联作用，并和金红石TiO2(110)表面的电子结构和光学性质进行了比较。其中，对于金红石TiO2(011)-2×1表面而言，传统的计算方法已能很好地描述该体系的基态性质。而引入描述Ti-3d电子间的作用项U后，对金红石TiO2(110)表面相关性质的计算结果并无明显改善。另一方面，在晶体的表面上不可避免地存在着各种各样的杂质和缺陷。为此，我们用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了金红石TiO2(011)-2×1表面上吸附H原子或形成O缺陷后的电子结构和光学性质。计算结果表明，在不同类型的表面原子位点上吸附的H原子或形成的O缺陷，对金红石TiO2(011)-2×1表面电子结构和光学性质的影响不尽相同。并且，只在金红石TiO2(011)-2×1表面小丘状结构两侧的O空位缺陷上产生了一个类似于Ti-3d轨道的缺陷态。最后，值得一提的是，金红石TiO2(011)-2×1表面不仅在可见光区具有较强的光催化能力，而且在其表面上吸附H原子或形成O缺陷后还能显著增强其在红外区的红外吸收。