二氧化钛晶体结构性质

锐钛矿型二氧化钛的结构、性能与应用 纳米 TiO2在结构、光电和化学性质等方而有许多优异性能，能够把光能转化为电能和化学能，使在通常情况下难于实现或不能实现的反应(水的分解)能够在温和的条件下(不需要高温高压)顺利的进行。纳米 TiO2具有独特的光催化性、优异的颜色效应以及紫外线屏蔽等功能，在能源、环保、建材 、医疗卫生等领域 有重要应用 前景 ，是 一种重要的功能材料 [1~2]。 TiO2在自然界中主要存在三种晶体结构：金红石型、锐钛矿型和板钛矿型，而金红石型和锐钛矿型都具有催化活性。但是，其光催化活性也具有很大的局限性，这是由于TiO2 的禁带较宽(3.2 eV)，只在紫外光照射下才有光催化活性，没有可见光光催化活性，因此需要对TiO2 进行改性研究，以拓宽TiO2 的光谱响应范围，把吸收边红移至可见光区，使其具有可见光催化活性。研究表明锐钛矿型比金红石相的光催化性能要好，这可能跟内部的晶体缺陷有关。 锐钛矿型TiO2为四方晶系，其中每个八面体与周围8个八面体相连接（4个共边，4个共顶角），4个TiO2分子组成一个晶胞。金红石型TiO2也为四方晶系，晶格中心为Ti原子，八面体棱角上为6个氧原子，每个八面体与周围10个八面体相联（其中有两个共边，八个共顶角），两个TiO2分子组成一个晶胞，其八面体畸变程度较锐钛矿要小，对称性不如锐钛矿相，其Ti–Ti键长较锐钛矿小，而Ti-O键长较锐钛矿型大。板钛矿型TiO2为斜方晶系，6个TiO2分子组成一个晶胞。 三种晶体结构中，金红石相最稳定，锐钛矿和板钛矿经加热可以转变为金红石相。 TiO2不溶于稀碱、稀酸，但溶于热浓硫酸、盐酸、硝酸。因其介电常数比较高，所以具有较好的导电性能。不同性能是 由不同结构决定的。研究者根据水热法、溶胶凝胶等方法已经成功的合成出了不同形貌的锐钛矿结构二氧化钛[3~4]。 关于对其掺杂的种类有很多，第一类主要是进行金属掺杂，一方面降低电子和空穴的复合，另一方面降低TiO2带隙能。第二类主要是进行非金属掺杂，如将N、C等元素掺杂到TiO2晶体结构中，也可以实现上述目的。目前，关于研究最多的是制备掺杂型的TiO2，提高其光催化性能[5]。 TiO2的应用很广，因其是最白的颜料，俗称钛白。可用来制造陶瓷、压电材料和一些耐高温的材料。并且还可用作搪瓷的消光剂，产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。目前关于二氧化钛研究最多的是根据锐钛矿型存在的晶体缺陷，进行掺杂，改善其光催化活性，提高二氧化钛对光的利用效率，以便应用到太阳能电池和污水处理等方面。 TiO2因其晶体结构，是一种很好的半导体材料和电子陶瓷材料。半导体型的氧化钛系陶瓷可用于空气 一燃料(A/F)比控制的传感器。MgCr2O4-TiO2陶瓷可以制成对气体 、湿度 、温度具有敏感特性的多功能传感器。TiO2 薄膜的研究因其具有自洁净等多种功能，在实际生产中可制成自清洁玻璃或外墙砖。TiO2对紫外线有十分优异的屏蔽作用 。纳米 TiO2无毒、无刺激、耐水、无怪 味、稳定性好作为紫外线屏蔽剂主要应用于防晒化妆品、涂料、塑料、化纤 、橡胶等方面。TiO2纳米微粒薄膜还可用作光敏染料太阳能电池 (DSSC)。此外，利用纳米 TiO2的光催化性可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物 ，使环境微生物人的危害降低。TiO2已成为最 有开发前景的绿色环保型催化剂，美国将二氧化钛光催化技术规定为解决环境问的首选技术。目前，采用无毒、快速反应、高效率降解 、无二次污染的 TiO2基催化剂光催化方法治理环境污染日益受到人们的重视，它在废水净化处理过程中发挥 了巨大的潜能。近年来，由挥发性有机物所带来的空气污染问题日趋严重。在众多 的治理技术中，TiO2光催化降解有机污染物作为一 种理想的环境治理技术倍受关注 [6]。 TiO2半导体光催化反应的能力由其能带位置及被吸附物质的还原电势所决定，同时也与晶体结构、品格缺陷、晶粒尺寸分布、品面状态以及制备方法等诸多因素有关，其光谱响应与禁带宽度有关。目前关于TiO2的催化机理如下反应式： 参考文献： [1] 王泰林, 沈建兴. 低维度纳米二氧化钛的研究进展[J]. 山东陶瓷, 2013, 36(3): 23-25. [2] 黄运瑞, 周庆祥, 闫家伟等. 二氧化钛纳米管阵列的应用研究进展[J]. 材料导报, 2012, 26(23):51-54, 60. [3] Zuoli He, Wenxiu Que,* Jing Chen ACS Applied Materials & Interfaces.  2012, 4, 5287. He ZL; Que WX; Chen J; et al. Photocatalytic Degradation of Methyl Orange over Nitrogen-Fluorine Co-doped TiO2 Nanobelts Prepared by Solvothermal Synthesis. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 6816. [4] 殷婷婷, 王国宏, 韩德艳等. 水热法制备纳米二氧化钛的研究进展[J]. 广州化工, 2012, 40(5):10-12, 20. [5] 王精志, 施文健, 顾海欣等. 掺氮二氧化钛的制备方法研究进展[J]. 材料导报, 2013, 27(15):46-49, 53. [6] 窦瑶, 尹国强. 纳米二氧化钛的应用研究进展[J]. 广州化工, 2011, 39(14):4-6.