目前，随着全球性环境恶化问题日益突出，对环境污染的有效控制与治理已成为当今社会所面临和亟待解决的重大问题。在众多的解决方法中，以半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一种理想的环境污染治理技术，近年来已成为国内外最为活跃的研究领域之一。TiO2光催化剂作为环境净化材料，由于无毒、成本低、氧化能力强和稳定性好等优点，引起了广泛的关注。但由于TiO2是宽禁带半导体氧化物（Eg=3.23eV），只能被波长较短的紫外光激发（λ<387nm），而这部分能量仅占到达地面的太阳光能的约4％，使得其对太阳能的利用率低；而且在TiO2中受光激发形成的电子—空穴易于复合，降低了其光量子效率。因此，窄化TiO2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TiO2光催化性能并使之大面积推广应用的关键。近些年来，已有众多的研究者对TiO2进行了改性研究，常见的改性方法主要有离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合及染料敏化等，其中离子掺杂被证明是有效的改性方法。　　 镧系稀土元素具备独特的电子结构和光学性质，能够作为理想的掺杂物在晶体结构、能带结构、光吸收性能等方面对TiO2光催化剂进行改性。另一方面，由于TiO2中O的2p轨道和N的p轨道能量接近，这两个轨道杂化后使得价带宽化，禁带宽度相应的减小，从而使N掺杂的TiO2能吸收可见光。以往大多实验研究都是对TiO2进行单一离子掺杂，最新的研究表明，对TiO2进行两种离子的共掺杂，可以利用离子间的协同作用进一步提高TiO2催化剂的光吸收范围和催化活性，使其具有比单一离子掺杂更高的光催化性能。目前，对TiO2进行氮离子掺杂改性的实验研究较多，对TiO2进行稀土离子掺杂改性的报道较少，而稀土离子与N离子共掺杂改性的报道则更少，而且由于样品制备采用的工艺流程、实验条件和表征方法各不相同，影响TiO2光催化性能的因素又极其复杂，从而导致对掺杂改性的机理说法不一。与实验研究相比，利用计算机模拟计算可以克服实验研究中各种不利因素的影响、突出主要矛盾，更有利于深入研究掺杂元素对体系电子结构和光学性质的影响。另一方面，模拟计算可以从理论上设计出具有高光催化活性的TiO2光催化剂。为了进一步系统地研究稀土离子和氮离子共掺杂锐钛矿相TiO2对其在可见光照射下光催化性能的影响，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对不同稀土离子（La3+、Ce3+、Pr3+、Yb3+）和N离子共掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质进行了理论计算，并与能够查阅的文献中报道的实验结果进行对比，阐明了稀土离子和N离子掺杂的TiO2在可见光照射下具有比纯TiO2更高的光催化活性的机理。基于理论计算的结果，本文得到了以下主要结论：　　 1、在晶体结构研究方面，与纯TiO2相比，La、Ce、Pr、Yb离子分别与N离子共掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长和原子电荷都发生了变化，导致掺杂后的八面体偶极矩增加，从而有利于光生电子—空穴对的分离，提高TiO2的光催化性能。　　 2、在电子结构研究方面，La、Ce、Pr、Yb离子分别与N离子共掺杂在TiO2的价带上方或导带下方引入了杂质能级，这些杂质能级可以作为浅受主能级或浅的施主能及，成为光生空穴或光生电子的有效捕获陷阱，这有利于光生电子和空穴的分离，从而可以提高量子效率。　　 3、在光学性质研究方面，由于共掺杂在TiO2的禁带中形成了新的杂质能级，使得TiO2的带隙变窄，从而使得其吸收带边红移到可见光区，大大提高了对太阳能的利用率。　　 4、在氧化还原性方面，与纯TiO2相比，La、Ce、Pr、Yb离子分别与N离子共掺杂对TiO2带边位置的改变不明显，从而使上述共掺杂的TiO2光催化剂在实现可见光响应的同时，保持了其原有的强氧化还原能力。　　 在研究过程中，我们随时关注实验研究的进展，希望将本文计算结果与能够查阅的实验结果进行对比。通过对比发现：本文La、N共掺杂的理论计算结果与实验报导结果一致。本课题组在实验研究方面合成了高效Pr掺杂及Pr、N共掺杂的TiO2光催化剂，得到的实验结果与理论计算结果一致。　　 综上所述，本文的研究工作达到了预期的目标，其主要结论对理解和进一步发展能被可见光激发的TiO2光催化剂具有重要的理论意义。论文的创新点主要体现在以下几个方面：（1）以往的理论研究大多是对TiO2进行单一离子的掺杂，而本文的研究是以两种离子进行共掺杂；（2）澄清了不同稀土离子和N离子在掺杂体系中的作用，阐明了不同稀土离子掺杂对TiO2光催化性能影响的异同及其机理；（3）从理论上设计了一种能被可见光激发的高效Pr、N共掺杂TiO2光催化剂；（4）从理论上设计了一种在可见光区具有强吸收特性的高效Yb、N共掺杂TiO2光催化剂。