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半导体氧化物TiO2具有优良的光催化性能、不发生光腐蚀和化学腐蚀，并且生产和使用比较简单，能被太阳光有效的激发，价格低廉，对人类和环境没有危害。TiO2作为光催化剂使用存在的主要难题是如何有效利用太阳光，实现可见光催化以及有效分离光致电子-空穴对。本论文工作以TiO2薄膜为研究对象，研究了其润湿性能与光催化性能。本文作者探索了提高光催化效率的新方法；并且通过第一原理计算了不同非金属掺杂以及共掺杂TiO2体系的电子结构和光学吸收性质，这为今后进一步研究高催化性能的TiO2体系的催化剂提供理论支持。
采用中频磁控溅射技术沉积了TiO2薄膜，研究了影响TiO2薄膜晶体结构的制备条件，并研究了不同晶体结构对TiO2润湿性的影响。研究结果表明：功率密度和热处理温度对TiO2薄膜的表面形貌有显著影响。高的功率密度可能导致两个结果：一是高能离子到达基体表面，二是导致氧空位的产生。这两种作用都会促使热处理之后金红石相的形成。润湿性研究表明，TiO2薄膜的润湿性在很大程度上取决于晶体结构。非晶和锐钛矿混合晶型使得TiO2薄膜具有较小的接触角；金红石(101)表面包含更多的桥氧原子，因此有利于形成亲水表面；尺寸效应对润湿性也有影响。
为了提高光催化效率，本文作者采用一种新颖的施加中频电场的方法研究了半导体TiO2光催化。研究结果表明：在中频电场中，存在一个最优的降解频率。本文作者对相应的机理进行了初探，认为可能是由于两方面的原因：一是脉冲导致大量原子碰撞引起的空穴数目的增加；二是本文作者施加的中频电场对激发态无辐射跃迁过程进行了扰动，进而影响了甲基橙的降解效率。归根到底，是由于有效的分离了光生电子-空穴对，从而起到了提高TiO2半导体光催化剂的降解效率的作用。
非金属氮掺杂对TiO2半导体可见光催化有显著提高，但是当掺杂浓度过高时会起到降低光催化效率的作用。针对这一点，本文作者研究了外加电场和N掺杂的协同效应对于TiO2半导体光催化的影响。研究结果表明，通过外加电场，N掺杂TiO2的紫外光和可见光催化性能都随N掺杂含量的增加而提高。由于外加电场和N掺杂的协同效应使得TiO2的光催化性能得到提高。本文作者还通过第一原理计算，澄清了N掺杂对TiO2晶体结构、电子结构和光学性能的影响。正是由于N的引入，导致TiO2带隙变窄，因而引起可见光吸收；而外加电场可以有效的分离电子-空穴载流子，起到克服重掺杂N原子对TiO2光催化性能所带来负面影响的作用。
通过采用第一原理平面波赝势方法计算了非金属硼掺杂TiO2和氮硼共掺杂TiO2体系的晶体结构、电子结构和光学吸收性质。其目的是分析氮硼共掺杂的协同效应对TiO2电子结构所产生的影响；还要分析在硼掺杂对于TiO2电子结构所产生的影响。探讨了硼掺杂TiO2以及氮硼共掺杂TiO2体系所引起的可见光响应机理。研究结果表明：对于硼掺杂TiO2来说，硼掺杂使TiO2的带隙变宽，但由于其在TiO2的禁带中引入了掺杂能级，降低了电子跃迁所需要吸收的光子能量，从而引起可见光的吸收；对于氮硼共掺杂TiO2来说，氮硼共掺杂使得TiO2的带隙稍稍变窄。导致氮硼共掺杂TiO2可见光响应的机理是氮硼共掺杂的协同作用；氮的引入导致了TiO2带隙的窄化；而硼的掺杂会在能级中引入掺杂能级。这两种效应都会对TiO2的光学性质产生重要影响，使得氮硼共掺杂TiO2发生可见光吸收，进而产生可见光催化性能。