钛酸盐纳米材料具有比表面积大、结构稳定、离子交换性强以及制备成本低廉、工艺简单等优点,在光电器件、光催化剂、离子交换剂等方面具有广阔的应用前景。本文建立了一系列层状钛酸盐体系的结构模型,采用了第一性原理方法计算了层状钛酸盐的电子结构,研究了层状钛酸盐成键特性和层状结构稳定性、离子交换机理以及离子交换提高可见光吸收的原因,同时制备了钛酸盐纳米片、金属离子(Cu2+和Co2+)和非金属离子(NH4+)离子交换的钛酸盐纳米管,并对其结构与性能进行了系统的研究。　　采用第一性原理方法计算了Na2Ti3O7和H2Ti3O7的电子结构,研究了其成键特性和层状结构稳定性。计算结果表明 Na2Ti3O7和H2Ti3O7均为宽禁带间接带隙的半导体,带隙值分别为2.99 eV和2.92 eV;其中,Na2Ti3O7展现出离子键和共价键的特性;离子键处于 Na+离子(Ti3O7)2-原子层之间,共价键处于(Ti3O7)2-原子层内。而 H2Ti3O7只体现出(Ti3O7)2-原子层内的共价键性质。它们的层状结构稳定性主要取决于(Ti3O7)2-原子层中O2p和Ti3d的强共价键作用,尤其是处于层内的O原子比层间的O原子和其周围的Ti原子相互作用强。Na+离子和(Ti3O7)2-原子层之间较弱的离子键作用决定了Na2Ti3O7具有离子交换特性。　　建立一系列 H+离子交换的钛酸盐单双纳米片层来模拟实验中的H+离子交换的钛酸盐纳米片,研究了模型的几何结构以及在碱性水溶液中的H+离子交换的形成能变化规律。计算结果表明 Na2Ti3O7和H2Ti3O7单双层纳米片之间的离子交换反应在较大范围内的pH值下(即从酸性溶液到超高浓度的碱溶液)易于进行,这是由负的热力学形成能和H2Ti3O7(100)表面上较短的氢氧键所决定的,离子交换的形成能随着 pH的下降而下降,离子交换的热力学驱动力在较低的pH下增强。因此在超高溶液的NaOH溶液中,形成的钛酸盐纳米片并不是Na2Ti3O7极有可能为Na2-xHxTi3O7(0