风能、太阳能与潮汐能等是当今热门的高效清洁能源,这使得储能产业的发展迎来重要契机。锂离子电池无记忆效应,具有循环寿命长、比容量大、自放电低、对环境无污染、工作电压高等重要优势,成为当前科学研究的热点。在环境方面,大量的工业污水排放导致许多饮用水源遭受污染,有害气体未经处理排放后污染大气导致环境污染。半导体光催化技术以太阳能的转换为核心,通过光催化分解去除有毒有害的污染物,同时亦可用于生产清洁能源,比如利用太阳能分解水制氢气因此半导体光催化技术成为解决环境污染问题的有效途径,具有广阔的应用前景。本文首先详细阐释了第一性原理及密度泛函理论的理论基础,包括多粒子模型、波恩-奥本海默近似、哈特里-福克近似、Hohenberg-Kohn方程、Kohn-Sham方程及交换关联能。之后补充说明了同类其它论文较少提及的本研究采用的Materials Studio软件及CASTEP计算模块的使用方法。在正文部分,利用基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法,研究并阐述了作为超导材料的LiTi2O4(FD-3M结构)、作为锂电池材料的Li2Ti3O7(P21/M结构)、作为锂电池材料及光催化剂的Li2Ti6013(C2/M结构)、有吸附作用的Li4TiO4(CMCM结构)几种物质的晶体结构、电子结构(能带、分波态密度)及光学性质(介电函数、折射率与消光系数、反射、吸收)。它们导带的态密度主要由Ti的3d轨道贡献,价带的态密度主要由O的2p轨道贡献。四种钛酸锂对于紫外波段均有较强的吸收与反射能力,Li4TiO4从可见光至红外有良好的透光性能,LiTi2O4在可见光至红外波段存在光吸收。本文进一步研究并对比了Li2Ti6O13(C2/M结构)、LiNaTi6O13(P2/M结构)、Na2Ti6O13(C2/M 结构)、NaKTi6O13(P2/M 结构)、K2Ti6O13(C2/M 结构)的晶体结构、电子结构(能带、分波态密度)及光学性质(介电函数、折射率与消光系数、反射、吸收)。它们既可被用作电池负极材料,亦可被用作光催化材料。计算结果显示,它们在紫外波段有较强的吸收与反射能力,在可见光光谱范围内光吸收能力有限,为接下来研究K2Ti6O13光催化剂做了铺垫。K2Ti6O13由于禁带宽度较大,只能吸收对太阳光中占比较小的紫外光,这严重限制了其在光催化剂领域的应用。为了改善及拓宽该应用,掺杂是最有效的方法之一。在接下来的章节中,重点进行了针对K2Ti6O13在可见光波段光吸收能力改良的研究,计算并对比了纯物质及不同掺杂体系的晶体结构、电子结构(能带、分波态密度)及光学性质(介电函数、反射、吸收)。利用第一性原理研究了不同浓度Zn,Ag,Cd金属原子单掺杂的K2Ti6O13体系,掺杂浓度分别为8.33%,16.67%,33.33%,66.67%。计算结果显示,电子结构方面,Ag的掺杂效果最好,通过引入杂质能级,显著提升了价带顶,降低了导带底,33.33%掺杂浓度下的Ag掺杂K2Ti6O13拥有最小的禁带宽度。33.33%掺杂浓度的Zn掺杂与33.33%掺杂浓度的Ag掺杂可显著提升可见光谱范围内光吸收性能,在可见光波段的平均吸收系数相比纯物质的分别增大345.4%与735.9%。在随后的研究中,进行了不同浓度C,N,S非金属原子单掺杂的研究,掺杂浓度分别为3.85%,7.69%,15.38%。计算结果显示,15.38%掺杂浓度下的C掺杂K2Ti6O13拥有最小的禁带宽度,禁带宽度为0.608 eV。15.38%掺杂浓度的C掺杂与15.38%掺杂浓度的S掺杂可显著提升可见光谱范围内光吸收性能,在可见光波段的平均吸收系数相比纯物质的分别增大464.6%与560.3%。最后,进行了不同浓度比例Zn-S,Ag-C,Ag-N,Ag-S金属与非金属原子共掺杂的研究。计算结果显示,在晶体结构方面,由于有着最小化的晶格畸变,K2Ti4Ag2O12N与K2Ti4Ag2O25/2N1/2拥有较好的光催化能力。在电子结构方面,Ag-N共掺杂降低了禁带宽度,使光吸收发生红移。在光学性质方面,Ag-N共掺杂可以显著提高光吸收,K2Ti4Ag2O12N(Ag掺杂浓度33.33%,N掺杂浓度7.69%)拥有最好的可见光吸收能力,相比33.33%掺杂浓度的Ag掺杂增加13.65%;相比15.38%掺杂浓度的S掺杂增加43.87%;相比纯物质增加850.05%。这证明了选择适当的金属与非金属原子并选择适当的浓度比例进行掺杂可以有效提高K2Ti6O13在可见光波段的光催化能力。本研究创新性的使用了 PBESOL方案处理交换关联能,计算结果比前人的更精确。在K2Ti6O13掺杂的研究中,进行了前人未进行过的不同浓度掺杂研究,选择了前人未研究过的掺杂元素与共掺杂组合。本研究填补了第一性原理研究中这些物质的研究欠缺,为这些物质在锂电池材料与光催化剂材料领域的应用提供了依据。