目前,全球范围内的能源危机和水污染问题日益突出,已成为制约人类生存和发展的严重障碍。锐钛矿相Ti02作为一种理想的半导体光催化材料在空气净化、废水处理,以及再生能源转化等方面具有极大的应用潜力,并且它具有光催化活性强、化学性能稳定、安全无毒、廉价、无二次污染、资源丰富等优点。然而作为宽带隙氧化物半导体,锐钛矿型Ti02(带隙约3.2eV)仅在紫外光照射下具有光催化活性,从而导致太阳能利用率很低。此外,由于光激发产生的电子-空穴对很容易复合,它的光量子产率值也非常低。因此,窄化Ti02禁带宽度使其吸收光谱向可见光区扩展,以及降低光生电子-空穴复合率,是提高Ti02光催化性能并使之工业化推广应用的关键。离子掺杂能有效地实现这一目的,但由于目前不同课题组采用的制备工艺、评价标准不一致导致对离子掺杂效应的理解有所不同。而基于密度泛函理论的材料模拟与计算方法是在电子和原子层次研究离子掺杂微观结构和性能的有效方法。利用材料模拟与计算方法对离子掺杂进行系统研究,不仅可以深入地了解离子掺杂改性后的微观几何结构及电子结构、验证实验发现、预测材料性能,而且可以节约研究成本。本文采用GGA+U方法系统研究了S取代O、S取代Ti和S间隙掺杂Ti02的改性机理,并在此基础上提出分别用Ta和非金属元素进一步优化改性S取代O和S取代Ti掺杂锐钛矿相Ti02的光催化性能。论文主要对掺杂体系的晶体结构、杂质形成能、电子结构、以及光学性质等方面论述。计算结果表明：(1)在金红石相和锐钛矿相中,S的三种掺杂形式(取代氧、取代钛、间隙掺杂)具有相似的改性效果：取代氧掺杂会在价带顶形成杂质能级,但与价带顶仍有一定的距离；取代钛掺杂在禁带中央形成杂质能级,不利于光催化反应的进行；间隙掺杂在价带顶和导带底形成杂质能级,而且这些杂质能级与价带或导带有充分的交叠。综合比较掺杂对晶体结构、电子结构和光学性质的影响,S以间隙方式掺杂进入锐钛矿相TiO2具有最优的改性效果。(2)在S取代O的掺杂模型基础上引入Ta取代Ti的共掺杂方式。发现通过Ta的共掺杂,可以使S的相关杂质能级与价带顶的距离进一步减小；同时引入Ta共掺杂不仅具有和单掺杂时相似的对紫外光的高吸收特性,并且具有比单掺杂更高的可见光吸收特性。(3)通过分析比较不同非金属离子与S取代钛的共掺杂效应,发现当B、C、O占据晶格空位与S取代钛进行共掺杂时有望增强S单掺杂TiO2的光催化性能：S单掺杂时位于禁带中央的杂质能级被消除,而且通过增强八面体内建电场的方式进一步提高光催化性能。本文的创新之处主要体现在通过分析比较S与不同离子的共掺杂体系在晶体结构、电子结构和光学性质等方面的协同效应,初步提出了通过共掺杂改性方法的基本原则：共掺杂可以通过优化分步合成工艺而更容易实现；选择的两种掺杂剂如果具有补偿效应、电负性差别较大,则可能更好地满足通过离子共掺杂设计高效光催化材料的要求；可变价态非金属离子更容易实现共掺杂的有效协同效应。同时,本文以硫掺杂为例,阐明通过合适的离子对之间的协同效应可以有效地改善Ti02在可见光激发下的光催化性能,为进一步开发高效光催化材料提供了理论依据。