TiO₂具有特殊的电子能带结构以及廉价、无毒、物理化学性质稳定和光催化活性高等一系列优良特性，是一种理想的半导体光催化材料，在能源、环保等领域具有广阔的应用前景。但是其较低的太阳光利用率和量子效率等问题阻碍了TiO₂在实际生产生活中的应用和推广。本文采用过渡金属掺杂的手段对TiO₂进行改性研究，利用溶胶凝胶法制备了纯的以及不同浓度过渡金属（Fe/Mo/V）单掺杂及共掺杂的TiO₂锐钛矿纳米粉末，并分别采用X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光光谱（PL谱）、紫外可见漫反射谱等手段进行了表征。通过在可见光下光催化降解亚甲基蓝染料溶液来测试其光催化性能，并利用第一性原理计算方法进行了相关的理论分析。结果表明：选择合适的Fe/Mo/V掺杂浓度能够提高TiO₂的光吸收性能和光催化活性；Fe的最佳掺杂浓度在0.5%—1.0%左右；V的最佳掺杂浓度为0.5%左右；经3小时可见光照射之后，1.0%Mo-TiO₂的光催化降解率达到61%；与Fe单掺杂相比，Fe-Mo电荷不完全补偿共掺杂能够进一步提高TiO₂光吸收和光催化性能，在Fe掺杂TiO₂样品中再掺入少量的Mo能够在提高光催化活性的同时而不失去其自身的光催化特性；Fe-V电荷完全补偿共掺杂并不能提高TiO₂的可见光催化活性。