二氧化钛（TiO₂）晶型对比

一、晶型结构与稳定性

1. 金红石型

• 晶体结构：四方晶系，空间群为 P4₂/mnm，TiO₆八面体通过共边连接形成致密结构。

• 稳定性：稳定的晶型，高温下（>650℃）仍保持结构稳定，自然界中以矿物形式存在。

• 物理特性：密度 4.2-4.3 g/cm³，莫氏硬度 6-6.5，折射率高达 2.62-2.91，具有优异的光学散射能力和化学惰性。

2. 锐钛矿型

• 晶体结构：四方晶系，空间群为 I4₁/amd，TiO₆八面体通过共角连接形成开放结构，比表面积较大。

• 稳定性：低温下稳定（<610℃），加热至 610℃以上逐渐转变为金红石型，转变温度为 915℃。

• 物理特性：密度 3.8-3.9 g/cm³，莫氏硬度 5.5-6，带隙较宽（3.2 eV），对紫外光响应强烈。

3. 板钛矿型

• 晶体结构：斜方晶系，空间群为 Pbca，TiO₆八面体通过共边和共角连接，结构复杂且对称性较低。

• 稳定性：最不稳定的晶型，650℃以上迅速转变为金红石型，自然界中罕见。

• 物理特性：密度 4.1-4.25 g/cm³，带隙约 2.96 eV，光催化活性较高但易因结构缺陷导致载流子复合。

二、性能差异与应用

（一）金红石型：工业主力，性能均衡

• 核心优势：高折射率、强遮盖力、优异的耐候性和化学稳定性。

• 典型应用：

• 涂料与塑料：作为白色颜料（钛白粉），提供高白度和抗老化性能，广泛用于建筑涂料、汽车漆和塑料薄膜。

• 化妆品：纳米级金红石型 TiO₂用于防晒霜，通过散射和吸收紫外线实现高效防晒。

• 电子材料：利用其高介电常数（~180）制备陶瓷电容器和光学棱镜。

（二）锐钛矿型：光催化明星，活性突出

• 核心优势：较大的比表面积、高表面活性位点和强紫外光吸收能力。

• 典型应用：

• 光催化领域：降解有机污染物（如亚甲基蓝、甲醛）、光解水制氢及抗菌涂层，常见于空气净化器和自清洁材料。

• 染料敏化太阳能电池（DSSC）：作为光阳极材料，通过吸附染料分子提升光电转换效率。

• 传感器：对 NO₂、H₂等气体具有高灵敏度，用于环境监测。

（三）板钛矿型：研究热点，潜力待释放

• 核心优势：独特的层状结构和中等带隙，理论上兼具光催化活性和稳定性。

• 典型应用：

• 科研探索：通过氟离子修饰等手段优化其表面性质，提升光催化效率，用于降解污染物和 CO₂还原。

• 特殊功能材料：在锂离子电池电极和高压物理研究中展现潜在价值。

三、晶型调控与混晶效应

1. 制备方法影响

• 金红石型：高温煅烧（>800℃）、气相沉积法（CVD）或添加矿化剂（如 P2O5）可促进其形成。

• 锐钛矿型：溶胶 - 凝胶法、水热法（100-200℃）及低温煅烧（<500℃）是常用方法。

• 板钛矿型：需严格控制水热条件（如 pH=4-6、温度 150-200℃）或引入特定模板剂。

2. 混晶协同效应

• 锐钛矿 - 金红石复合结构：通过异质结界面促进光生载流子分离，显著提升光催化性能。例如，锐钛矿（001）晶面与金红石（110）晶面的结合可优化电荷传输路径。

• 工业应用案例：钛白粉生产中通过控制煅烧温度，可获得含少量锐钛矿的金红石型产品，兼顾遮盖力和耐候性。

四、检测与表征方法

1. X 射线衍射（XRD）

• 利用特征衍射峰区分晶型：锐钛矿（2θ=25.3°）、金红石（2θ=27.5°）、板钛矿（2θ=28.8°）。

• 通过全谱拟合法或强度比值法定量分析晶型比例。

2. 拉曼光谱

• 金红石型：特征峰位于 448 cm⁻¹（E_g）和 612 cm⁻¹（A₁g）；锐钛矿型：144 cm⁻¹（E_g）和 197 cm⁻¹（E_g）。

3. 透射电子显微镜（TEM）

• 观察晶体形貌和晶格结构，区分锐钛矿的八面体与金红石的柱状晶形。

五、总结

• 金红石型凭借稳定性和光学优势主导工业市场；

• 锐钛矿型以光催化活性在环保和能源领域独树一帜；

• 板钛矿型虽不稳定，但通过结构修饰和复合设计正逐渐从实验室走向应用。