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当今能源匮乏和环境污染日益加剧,引起全球范围内高度关注。Ti O2以其化学性质稳定、无毒无害、容易制备、光催化能力强等特点被广泛运用在环境污染治理和光催化应用等领域,在解决环境问题和能源利用方面发挥着重要作用。但是,Ti O2的光催化活性还相对较低。可以通过掺入杂质离子,阻止光生空穴和光生电子的复合,来提高Ti O2的光催化活性。同时,研究Ti O2表面吸附气体分子的微观特性与光学特性,可为Ti O2光学气敏传感器的实验研究提供理论依据。采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,首先模拟计算了N与Ru,Rh,Pd共掺杂金红石相Ti O2的几何结构、能带结构、态密度、光学性质以及缺陷形成能。计算结果表明:N与Ru、Rh、Pd共掺金红石相Ti O2,Ru、Rh、Pd的4d电子会形成施主能级和受主能级,与N掺杂形成的浅受主能级的协同作用,为电子跃迁提供中间阶梯,在一定程度上提高电子跃迁的概率,从而改善Ti O2对可见光的光催化活性。其中N-Rh共掺杂金红石相Ti O2改善对可见光的吸收利用效果最佳且容易实现。然后研究了sp3杂化气体分子H2O、NH3和CH4在金红石相Ti O2(110)表面的吸附。研究发现:含有氧空位的表面较无氧空位表面更容易吸附气体分子。影响吸附稳定性和吸附能的主要因素是分子的极化率,分子极化率越大,吸附越稳定。而同种分子在表面的吸附稳定程度则与吸附后分子与表面的相互位置有关,分子正负电荷中心到表面氧空位的距离之和越小,吸附能就越大。表面氧空位对分子负电荷中心的吸附是整个吸附的主要原因。通过差分电荷密度和电荷布居数分析来看,吸附后虽然气体分子的中心原子O、N、C的电荷布居数减小,但是整个分子却被材料表面所氧化,表面对分子氧化还原的强弱为NH3>H2O>CH4,吸附过程为化学吸附。吸附后,O、N、C原子在导带底出现的电子态密度峰将会改善表面吸附气体后的电阻特性和光学特性,为进一步研究该材料的气体传感特性提供了理论基础。最后研究了卤化氢气体(HX,X=F,Cl,Br)在Ti O2表面吸附。计算发现:含有氧空位的金红石相Ti O2(110)表面较完整表面更容易吸附卤化氢气体分子。影响吸附稳定性和吸附能的因素是分子的偶极矩,分子偶极矩越大,吸附越稳定。含氧空位表面与HF、HCl、HBr分子之间存在电荷转移,吸附方式为化学吸附。从态密度和光学特性分析,表面吸附HF、HCl、HBr分子后导带底出现新的杂质能级,能不同程度的地改善Ti O2(110)表面的光学特性,其中吸附HF改善效果最佳。