锐钛矿TiO2转变为金红石TiO2机制和性能
二氧化钛晶型转变温度
二氧化钛晶型转变温度一、引言二氧化钛是一种重要的半导体材料，广泛应用于太阳能电池、光催化、传感器等领域。
其性质与晶型密切相关，因此研究二氧化钛晶型转变温度具有重要意义。
二、二氧化钛晶型二氧化钛有多种晶型，常见的有锐钛矿相（rutile）、金红石相（anatase）和布拉格反射线相（brookite）。
其中锐钛矿相是最稳定的一种，具有良好的光电性能。
三、影响二氧化钛晶型转变温度的因素1. 初生晶粒大小：初生晶粒越小，转变成anatase相的温度越低。
2. 水分：水分对anatase和brookite相的形成都有影响。
适量水分可以降低rutile-to-anatase转变温度；过多水分则会促进brookite-to-rutile转变。
3. 晶体结构：不同晶体结构对应不同稳定性，因此不同结构下的转变温度也不同。
4. 添加剂：添加一些离子或分子可以影响二氧化钛晶型转变温度。
例如，掺杂一定量的氮可以降低rutile-to-anatase转变温度。
四、二氧化钛晶型转变温度的测定方法1. 差示扫描量热法（DSC）：该方法通过对样品加热或降温时所吸收或放出的热量进行测定，确定二氧化钛晶型转变温度。
2. X射线衍射法（XRD）：该方法通过对样品进行X射线衍射，观察不同晶型下的衍射峰位置和强度来确定二氧化钛晶型转变温度。
3. 红外光谱法（IR）：该方法通过对样品进行红外光谱分析，观察不同晶型下的特征吸收峰位置和强度来确定二氧化钛晶型转变温度。
五、结论二氧化钛晶型转变温度受多种因素影响，包括初生晶粒大小、水分、晶体结构和添加剂等。
目前常用的测定方法包括差示扫描量热法、X 射线衍射法和红外光谱法。
深入了解这些因素和方法有助于进一步优化二氧化钛的性能和应用。
锐钛型二氧化钛和金红石型二氧化钛的区分
1、（锐钛型二氧化钛与金红石型二氧化钛）的区分1.1 方式利用X射线衍射仪取得XRD图谱进行分析用到的仪器X射线衍射仪X射线产生原理：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部份（1％左右）能量转变成X射线，而绝大部份（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高1.2.1 X射线管的结构阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。
阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag, W等)，使电子突然减速并发射X射线。
阳极需要水强制冷却。
窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片X射线管中心核心在X射线衍射中，总希望有较小的核心（提高分辨率）和较强的X射线强度（缩短爆光时刻）。
一样采纳在与靶面成必然角度的位置同意X射线，如此能够达到核心缩小，X射线相应增强的目的。
1.2.2 X射线特点理论基础：布拉格方程用X射线衍射分析法中的粉末法来分析两种结构。
只有知足Bragg方程，才能产生衍射现象，因此用粉末法对测定的晶体样品，不改变λ,要持续改变θ。
：用单色的X射线照射多晶体试样，利用晶体的不同取向来改变θ,以知足Bragg方程。
试样要求：粉末，块状晶体。
特点：试样容易取得，衍射花腔反映晶体的全面信息。
粉末法：由于多晶体由无数取向无规的单晶组成，相当于单晶绕所有取向的轴转动，晶体内某等同晶面族{HKL}的倒易点，形成－相应倒易矢量ｇＨＫＬ为半径的倒易球。
一系列的倒易球与反射球相交，其交集是一系列园，那么相应的衍射线束散布于以样品为中心、入射方向为轴、上述交线园为底的园锥面上。
1.2.5 二者结构分析晶胞结构的不同金红石型二氧化钛及锐钛型二氧化钛结晶类型均为正方结晶，前者为R型，后者为A型。
金红石型二氧化钛晶格结构致密，比较稳固，光化学活性小，因此耐久性由于锐钛型二氧化钛。
另外，金红石型二氧化钛晶体结构是细长的成对的孪生晶体，每一个金红石晶胞含有2个二氧化钛分子，以两个棱相连，这比锐钛型二氧化钛八面体的形式体积更小、结构更密，因此硬度和密度增大，介电常数和导热性增加，因此耐候性好，不易粉化(a)金红石型(b)锐钛型金红石型和锐钛型晶胞中TiO2分子数别离是2和4。
晶型转变的影响因素
影响晶型转变的因素众所周知,构造决定性质,而对于晶体来说，当外界条件变化时，晶体构造形式发生改变，碳、硅、金属的单质、硫化锌、氧化铁、二氧化硅以及其他很多物质都具有这一现象，所以本文通过查阅文献举例说明影响晶型的一些因素，主要有温度、压力、粒度和组成。
一、温度温度对晶型影响比拟复杂，当温度升高时，晶体中的分子或某些离子团自由旋转，取得较高的对称性，而改变晶体的构造。
下面举例说明：(1) BaO·Al2O3·SiO2(BAS)系微晶玻璃的主晶相为钡长石。
钡长石主要的晶型有单斜钡长石(monoclinic celsian)、六方钡长石( hexa celsian)和正交钡长石(orthorhombic celsian),三者的关系如图1所示:Fig. 1 The phase transformation of celsian由图中我们可以看到:六方钡长石膨胀系数高,为8. 0×10-6/℃,而且在300℃左右会发生其向正交钡长石的可逆转变,转变过程中伴随着3-4%的体积变化。
(2)当预热温度小于400℃时，反响所得到的产物氧化铝为非晶态的A12O3。
非晶A12O3。
在热力学上是一种亚稳状态，所以它有向晶态转化的趋势。
当温度不够高时，非晶A12O3中的原子的运动幅度较小，同时晶化所必不可少的晶核的形成和生长都比拟困难，因此非晶态向晶态的转化就不易。
为研究所制备的非晶A12O3。
向晶态Al2O3转变的规律，我们把在300℃时点火得到的非晶A12O3 进展了锻烧处理，结果见表2:Fig.1 XRD Patterns of Produets kept for 1.5h at 700一900℃Fig.2 XRD Pattems of produets kept for o.5h at l000一l200℃Fig.3 XRD Pattems of produets kept for o.5h at l000℃and l200℃Fig.4 XRD Pattems of produets kept for different time at l000℃Fig.5 XRD Pattems of produets kept for different time at 1100℃从图1中可以看到，非晶态的氧化铝经700、800、900℃锻烧1.5h后，氧化铝从非晶态转变为r-A12O3，并且随着温度的升高r- A12O3。
二氧化钛 碳热还原 相转变 金红石 锐钛矿
二氧化钛碳热还原相转变金红石锐钛矿下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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锐钛型钛白粉与金红石型钛白粉有哪些区别
很多人在生活中常常分不清锐钛型钛白粉与金红石型钛白粉的区别，作为钛白粉下非常受欢迎的两类产品，我们应该适当的了解这二者的不同：很简单的一种方法就是锐钛型钛白粉经过高温制得金红石型钛白粉，所以说锐钛型是没有熔点的。
其实它们的区别方法还有很多，外观、内部结构等个方面都有不同，当大家掌握了这些信息，就可以很好的辨别出它们了……（锐钛型钛白粉-图例）【锐钛型钛白粉与金红石型钛白粉的区别】从构造、物化性质等方面我们都可以了解到这二者的不同，今天就由迈图化学的技术人员为大家来介绍一下：一、锐钛型钛白粉与金红石型钛白粉TiO2属于一种n型半导体材料，金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉是钛白粉的两大重要种类，但是由于两者性质不同，从而也导致了它们各方面的差异，锐钛型和金红石型均属四方晶系，两种晶型都是由相互连接的TiO6八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中间，且被6个O原子围绕。
二、锐钛型钛白粉与金红石型钛白粉化学性质的区别两者的差别主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。
金红石和锐钛矿晶胞结构的差异也导致了这两种晶型物化性质的不同。
从热力学角度看，金红石是相对稳定的晶型，熔点为1870℃；而锐钛是二氧化钛的低温相，一般在500℃~600℃时转变为金红石。
二氧化钛晶型转变的实质是晶胞结构组成单元八面体的结构重排。
金红石晶型结构中原子排列更加致密，密度、硬度、介电常数更高，对光的散射也更大。
因此，金红石是常用的白色涂料和防紫外线材料，对紫外线有非常强的屏蔽作用，在工业涂料和化妆品方面有着广泛的应用。
锐钦的带隙宽度为稍大于金红石的，光生电子和空穴不易在表面复合，因而具有更高的光催化活性能够直接利用太阳光中的紫外光进行光催化降解，而且不会引起二次污染。
因此，锐钛矿是常用的处理环境污染方面问题的光催化材料。
三、锐钛型钛白粉与金红石型钛白粉物理性质的区别1.熔点和沸点由于锐钛型在高温下会转变成金红石型，因此锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。
TiO2综述
TiO2综述纳⽶TiO2的性能、应⽤及其制备⽅法综述摘要：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, 在光催化剂、化妆品、抗紫外线吸收剂、功能陶瓷、⽓敏传感器件等⽅⾯具有⼴阔的应⽤前景。
国内外⽂献对纳⽶TiO2的性质、应⽤及其制备⽅法进⾏了⼤量的性能、应⽤及制备⽅法研究进⾏了综述。
的研究报道, 本⽂对有关纳⽶TiO2关键字：纳⽶TiO2、性能、应⽤、制备⼀、简介：纳⽶⼆氧化钛，亦称纳⽶钛⽩粉。
从尺⼨⼤⼩来说，通常产⽣物理化学性质显著变化的细⼩微粒的尺⼨在100纳⽶以下，其外观为⽩⾊疏松粉末。
具有抗紫外线、抗菌、⾃洁净、抗⽼化功效，可⽤于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。
⼆、分类：①、按照晶型可分为:⾦红⽯型纳⽶钛⽩粉和锐钛型纳⽶钛⽩粉。
②、按照其表⾯特性可分为:亲⽔性纳⽶钛⽩粉和亲油性纳⽶钛⽩粉。
③、按照外观来分：有粉体和液体之分，粉体⼀般都是⽩⾊，液体有⽩⾊和半透明状。
三、纳⽶TiO2的性能：纳⽶TiO2除了具有与普通纳⽶材料⼀样的表⾯效应、⼩尺⼨效应、量⼦尺⼨效应和宏观量⼦隧道效应等外, 还具有其特殊的性质, 尤其是催化性能。
3. 1 基本物化特性纳⽶TiO2有⾦红⽯、锐钛矿和板钛矿3种晶型。
⾦红⽯和锐钛矿属四⽅晶系, 板钛矿属正交晶系,⼀般情况下,板钛矿在650℃转变为锐钛矿,锐钛矿915℃转变为⾦红⽯,结构转变温度与TiO2颗粒⼤⼩、含杂质及其制备⽅法有关,颗粒愈⼩,转变温度愈低,锐钛型纳⽶TiO2向⾦红⽯型转变的温度为600℃或低于此温度,纳⽶TiO2化学性能稳定,常温下⼏乎不与其它化合物反应,不溶于⽔、稀酸,微溶于碱和热硝酸,不与空⽓中CO2、SO2、O2等反应,具有⽣物惰性和热稳定性,⽆毒性[1]。
3. 2光催化性纳⽶TiO2是⼀种n型半导体材料,禁带宽度较宽,其中锐钛型为3.2eV,⾦红⽯型为3.0eV,当它吸收了波长⼩于或等于387.5nm 的光⼦后,价带中的电⼦就会被激发到导带,形成带负电的⾼活性电⼦e-,同时在价带上产⽣带正电的空⽳h+,吸附在TiO2表⾯的氧俘获电⼦形成?O2-,⽽空⽳则将吸附在TiO2表⾯的OH-和H2O氧化成具有强氧化性的?OH,反应⽣成的原⼦氧、氢氧⾃由基都有很强的化学活性, 氧化降解⼤多数有机污染物,同时空⽳本⾝也可夺取吸附在半导体表⾯的有机物质中的电⼦,使原本不吸收光的物质被直接氧化分解,这两种氧化⽅式可能单独起作⽤也可能同时起作⽤,对于不同的物质两种氧化⽅式参与作⽤的程度有所不同[2]。
由钛精矿制备人造金红石的研究进展
由钛精矿制备人造金红石的研究进展作者：孙雪姜志铭付雅君来源：《科技风》2016年第09期摘要：综合评述了国内外由钛精矿制备人造金红石的研究方法及工艺特点。
通过对各种研究工艺的对比找到最佳的研究方法，以期对我国人造金红石的发展提供有益的启示。
关键词：人造金红石；钛精矿；研究方法；研究进展我国钛精矿资源比较丰富，相比天然金红石储量却很少。
目前以人造金红石作为生产钛产品的主要理想原料，因此生产优质的人造金红石产品变得尤为重要，资源丰富的钛精矿就成为了制备人造金红石的理想原料。
国内外对人造金红石的研究工艺取得了相应的进展。
1 国内研究状况中国的人造金红石技术远远落后于国外，导致每年人造金红石的年产量非常稀少，总计生产能力每年只有几万吨而已，生产规模特别小，生产技术落后，几乎都是中试规模。
1.1 氯化法在1980年北京有色金属研究总院以钛精矿为生产原料进行研究，其原理是利用钛精矿中各组分在氯化过程中热力学上变化的不一样，以达到分离TiO2 的目的。
其优点是制得的人造金红石品位高，缺点是杂质含量高，减少杂质含量，面临的技术难度很大，经济问题棘手。
该法在原理上可行，但很难实现工业化。
1.2 盐酸法在1984年成都科技大学与自贡东升钛黄厂等单位以浸出罐这样的实验设备为主体，进行盐酸加压浸出生产高品位人造金红石工艺研究[ 1 ]。
其优点是基本可以实现工业化，但是缺点是由于设备腐蚀比较严重，维护成本较高，环保问题难以有效解决。
1.3 硫酸法北京有色金属研究总院开展了用钛白废酸处理攀枝花钛精矿制取人造金红石的试验。
该工艺最大的优点是废酸循环利用，但存在的缺点是有副产物产生所带来的环境污染问题[ 2 ]。
1.4 氧化还原改性—盐酸浸出以攀枝花钛精矿为原料，采用流态化强氧化还原，常压浸出，浸出母液喷雾焙烧，盐酸循环利用工艺技术路线，可以生产高品位的人造金红石[ 3 ]。
该工艺最大的优点是实现了盐酸闭路循环利用，全流程无污染物排放，使环保问题得到有效解决。
钛铁矿制备人造金红石的方法
１ ． 具 体 实验 过 程
１ ． １ 实验原料 钛铁矿 ， 其化学成分为 ： ＇ ｒ ｉ ｏ ２ ， Ｆ ｅ ， Ｃ ａ Ｏ， Ｍｇ Ｏ ， Ａ１ Ｏ ３ ， Ｆ ｅ Ｏ ， Ｍｎ ， Ｓ ｉ Ｏ 。 １ － ２实验流程 将原料细磨 。 再用盐酸浸泡 ． 从而达到分离杂志的 目的 ． 最后进行 晶型的转变 ， 从而得到高品味的人造金红石 。 与传统工艺相 比， 其杂 质 含量大大减少 ， 且不污染环境 ， 十分环保高效 。再加盐酸 的的过程 中 ． 应注意一些问题。 确保过滤 ， 洗涤煅烧 的顺利进行 。 其 除去杂质 的原理 是钙镁等杂质能 与盐酸反应 ． 形 成溶液 ． 而钛与盐酸在本 实验条件下 则没有影响 ． 从而达到分离杂质的 目的
所 以． 根据上述试验结果 可知． 采用盐 酸直接浸出时， 一 般要求盐 酸浓度 高 、 并通常采用压浸出周 此存在设备腐蚀严 重 、 再生盐酸难 以 循环等 问题 。 在试验室 浸出结论的基础上 ． 为 了降低初 始浸出酸浓度 ， 提出 了
多级逆 流浸出 ． 并进行 了半工业 化试验 ， 上级浸 出液过滤后进 人下一 级浸 出． 实现浸 出酸多次循环利用 。 现在介绍二级逆流浸 出。 试验规模 为每天处理 ２ ０ ０ Ｋ Ｓ 钛铁 矿 。 在半工业试验 中查找更多的细节问题。二 级逆流浸 出半工业试 验条件 ： 每批投钛铁矿 ２ ０ ０ Ｋ ｇ ， 粒度一 ０ ． ０ ７ ４ ｍ ｍ占 ７ ０ ％以上 。 盐 酸常压浸出 ； 盐 酸浓度 ２ ０ ％～ ２ ２ ％； 温度 ９ ０ ～ ９ ５ ℃； 液 固 比 Ｌ ／ Ｓ ＝ ４ ： １ ～ ６ ： １ ； 浸 出时间 ４ ｈ 。 为进一步降低初始浸出酸浓度 ． 进行 了三级逆流浸 出试 验。为了 确定最佳工艺条件以及 浸出初始盐酸浓度 、 浸 出时间 以及浸 出液固比 等 因素对试验的影响 ． 在进行三级逆流浸 出时进行 了针对性试 验。初 始盐酸浓度增加 到一定程度后 ， 人 造金红石中 Ｔ ｉ Ｏ 的含量变化较小 ， 这主要是因为 ， 在盐 酸浸 出时， 铁、 钙、 镁等可溶杂质 已基本全部浸 出。 继续提高盐酸浓度对浸 出率影响很小 同时降低溶液体 系中的盐 酸浓 度， 抑制 了 Ｔ ｉ Ｏ 的溶解 。当初始盐酸浓度继续增加 时， 虽然提高 了溶 液的杂质去除能力 ．但 同时也将部分可溶钛溶解进入到溶液体 系中， 所 以通过 继续 增加初始盐 酸浓度来 提高 Ｔ ｉ Ｏ 含量 的难度将 增加 ， 效 果并不 明显 。 对 比盐酸三级逆流浸出和二级逆流浸出结果 ． 在同等的初始盐酸 浓度以及 总液 固比条件下 ． 三级逆流浸出得到的产品含量 高达 ９ ４ ％以 上． 明显高于二级逆 流浸 出的产 品． 品位 及粒度均满足 国家行业标准 所规定 Ｔ ｉ Ｏ 的要求 可为氯化钛 白提供优 质的原材料 。
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锐钛矿TiO2转变为金红石TiO2机制和性能摘要：TiO2 是多相光催化研究中使用较多的一种材料。
其在自然界存有3种不同的晶型：锐钛矿、金红石、板钛矿相。
锐钛矿相转变为金红石相的过程是扩散相变。
金红石是热力学稳定相, 锐钛矿是亚稳相, 并且从锐钛矿相到金红石相的相变是亚稳相到稳定相的不可逆相变。
而煅烧时间与煅烧温度会影响其晶型的转变。
在众多影响光催化性能的因素中，晶型是较为重要的一个因素。
关键字：锐钛矿、金红石、TiO2、相变、光催化光催化降解是一门新型的并正在迅速发展的科学技术。
研究表明，在适当的条件下，许多有机物污染物经光催化降解，可生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物。
目前，在光催化降解领域所采用的光催化剂多为N型半导体材料, 如TiO2、ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3和CdS 等, 其中TiO2以其无毒、价廉、稳定和特殊的光、电性能等优点倍受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂[1]。
1.二氧化钛的结构近年来, TiO2纳米材料制备、表征及改性一直是光催化研究领域的重点。
同一种半导体可能具有不同的晶型，晶型的不同实际上就是组成物质的原子不同的空间构型有序的排布。
二氧化钛是白色粉末状多晶型化合物, 自然界有锐钛矿型, 金红石型和板钛型三种晶型结构, 但板钛型二氧化钛极不稳定且无实用价值[2]。
所以目前的研究一般都主要为金红石相及锐钛矿相。
TiO2晶体基本结构是钛氧八面体( TiO6)。
钛氧八面体连接形式不同而构成锐钛矿相、金红石相和板钛矿相。
锐钛矿型和金红石型均属于四方晶系，二者均可用相互连接的Ti06八面体表示，但八面体的畸变程度和连接方式各不不同。
板钛矿型属正交晶系，一般难以制备，目前研究很少。
如图1所示，金红石型（a）的八面体不规则，微显斜方晶；锐钛矿(b)呈明显的斜方晶畸变，对称性低于前者。
从图2[3]中可以看出锐钛矿TiO2的Ti-Ti键长比金红石大，而Ti-O键比金红石小。
TiO2晶体基本结构——钛氧八面体有两种连接方式。
如图3所示,分别为共边连接与共顶角连接。
从图4[4]中可以看到锐钛矿中每个八面体与周围8个八面体相联(四个共边，四个共顶角)。
金红石中的每个八面体与周围10个八面体相联(其中两个共边，八个共顶角)。
图1 金红石、锐钛矿和板钛矿的TiO6八面体结构图2 二氧化钛金红石相（a）和锐钛矿相（b）的晶胞结构图3 TiO6八面体的连接方式图4 TiO2三种晶相结构示意图2.二氧化钛晶型转变机制在金红石中，八面体公用两个棱，根据鲍利第三规则：在一配位结构中，配位多面体问倾向于不公用棱，特别是不公用面，可知它较稳定。
而配位八面体公用了三个棱的板钛矿和公用了四个棱的锐钛矿则在自然界中存在较少。
金红石是热力学稳定相, 锐钛矿是亚稳相, 从锐钛矿转变为金红石相是不可逆相变[5]。
当煅烧温度升高时，粒子表面由于其较高的表面能，金红石相在锐钛矿相的界面上成核。
一部分TiO2粉末从锐钛矿相转变成金红石相，然后逐步扩散到锐钛矿相的内部。
该转变过程相当缓慢，在短时间内不易达到平衡，而是在锐钛矿型的表面形成金红石薄膜的包覆结构。
转变时原子通过近距离扩散，从锐钛相转移到金红石相而使界面向金红石相推移。
两相之间的界面是一个很薄的过渡层。
在过渡层内，原子排列很不规则，而在金红石相与锐钛矿相中，原子均按一定的规则排列成晶体。
不规则区与规则区之间不是完整的晶面，因此不规则的原子可落在规则区域的节点上使规则区域长大，亦使金红石相长大。
同时，原子则不断由锐钛相进入过渡区，使锐钛相瓦解。
锐钛矿相向金红石相转变为扩散型转变。
在相变的过程中，锐钛矿相的氧（l12）假密堆积面保留成为金红石相的（100）密堆积面，而钛离子和氧离子进行相应的重排以适应这种构型的变化。
这种重排是以氧原子框架的最小扰动和钛氧键的最小断裂数量为原则的[6]。
从物理学的角度看，煅烧是锐钛矿型TiO2向金红石TiO2转变的条件。
在常温下，金红石及锐钛矿型TiO2中原子周围都存在一个势函数，约束原子在平衡位置附近做热运动，它们在Z轴方向上运动的势函数如图5所示，在高温下由于热振动能量的涨落。
当原子的能量超过时，处于锐钛矿型的原子A有一定的几率越过势垒Uz而跳到B处，成为金红石原子[7]。
影响晶型转变主要的两个因素是煅烧时间与煅烧温度。
如图6[7]所示，当煅烧温度达到900℃煅烧1.5h时，锐钛矿的百分含量明显下降，表明其在高于900℃的温度下才能逐渐转变为金红石相。
而由图7所示，900℃煅烧温度下，随着煅烧时间的推移，锐钛矿相逐渐减少，表明锐钛矿瓦解，转变为金红石相。
由于随着温度升高，原子的动能增加。
锐钛相中能量超过Uz 的原子更多，变为金红石相几率更大，更易向金红石转变；温度低时，原子动能低，锐钛相中能量超过Uz的原子就少，因而变为金红石相几率就少。
原子只有靠增长时间来增加向金红石相的转变几率。
图5 锐钛矿型及金红石型TiO2势函数图6 不同煅烧温度下煅烧1．5 h所得锐钛矿型TiO2的百分含量图7 900℃不同煅烧时间下TiO2粉末中锐钛矿百分含量值3.二氧化钛光催化原理TiO2有“白色颜料之王”的美誉，广泛用于涂料、塑料、化纤、造纸、光敏材料等行业；同时，TiO2在光照尤其是紫外光照射条件下具有很强的催化活性，利用TiO2的光催化性能降解有机污染物成为目前的研究热点[8]。
有关TiO2光催化机理，目前较为成熟的是基于半导体能带理论的电子－空穴作用机理。
作为一种ｎ型半导体材料，TiO2的能带是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，价带和导带之间存在一个区域为禁带，区域的大小通常称为禁带宽度(Ｅｇ）[9]。
各种半导体的能带结构差异很大，导致他们具有不同的氧化还原性能。
半导体的能带与其电荷迁移过程的概率和速度有紧密联系，一般而言，受体电势比半导体导带电势低(更正)，给体电势比半导体价带电势高(更负)，才能发生氧化还原反应。
光催化反应的发生要求催化剂和反应物种符合能带匹配原则。
同时半导体的禁带宽度对光催化活性也有很大的影响。
一方面，禁带宽度越窄则所需要的激发光能量则越小，换句话说就是能更好的利用太阳光中的可见光部分。
但另一方面，由于带隙较窄产生的光生空穴一电子的氧化还原能力就弱，不利于活性的提高[4]。
如图8所示，当受到波长小于某个临界值的光照射时，即光子能量高于禁带宽度时，价带中的电子会吸收光子能量而跃迁至导带，形成在导带中带负电的电子和价带中带正电的空穴，电子和空穴可自由移动，这种带电粒子的移动便产生了电流，即它们可作为载流子，使TiO2成为良好的半导体。
当电子/空穴迁移到TiO2颗粒表面时，与环境中的空气、水等接触和反应，生成羟基和过羟基自由基，这些自由基有很强的活性，可以氧化与TiO2颗粒接触的很多有机介质[10]。
图8 二氧化钛光催化原理示意图4.晶型对二氧化钛光催化的影响影响二氧化钛光催化降解的因素有很多，除了催化剂本身特性( 晶型、粒径、比表面积、表面羟基等) 和载体以外，还包括光源、光照时间、催化剂用量、有机物浓度、体系pH、反应温度等[11]。
而其中晶型是一个较为重要的因素。
锐钛矿表现出高的活性有以下几个原因：（1）锐钛矿的禁带宽度为3.2eV，金红石禁带宽度为3.0eV，锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负的电位，因而具有较高氧化能力[10]；(2)锐钛矿表面吸附H2O、O2、及OH-的能力较强，导致其光催化活性较高，在光催化反应中表面吸附能力对催化活性有很大的影响，较强的吸附能力对其活性有利；(3)在结晶过程中锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸及较大的比表面，对光催化反应有利。
(4)锐钛矿相晶格内有较多的缺陷和位错网，从而产生了较多的氧空位来俘获电子，而金红石相是TiO2 最稳定的同素异构形式，具有较好的晶化态，存在较少的结构缺陷来俘获电子，加快了表面电子-空穴对复合速率，降低了其催化活性[10]。
但是，简单地认为锐钛矿比金红石活性高是不严谨的，它们的活性受其晶化过程的一些因素影响。
在同等条件下无定型TiO2结晶成型时，金红石通常会形成大的晶粒以及较差的吸附性能，由此导致金红石的活性较低；如果在结晶时能保持与锐钛矿同样的晶粒尺寸及表面性质，金红石活性也较高。
由此可见，无论是锐钛矿还是金红石型TiO2，它们都可能具有较高的活性，而活性的高低则主要取决于晶粒的表面性质及尺寸大小等因素。
研究表明，由锐钛矿和金红石以适当比例组成的混晶通常比由单一晶体的活性高。
混合晶体表现出更高的活性是因为结晶过程中在锐钛矿表面形成薄的金红石层，通过金红石层能有效地提高锐钛矿晶型中电子-空穴分离效率(称为混晶效应)。
通过实验发现100％的锐钛矿与100％的金红石活性同样不高，而不同比例的二者混合体却表现出比纯的锐钛矿或金红石更高的活性，尤以30％金红石和70％锐钛矿组成的混合晶型活性最高，由此可见两种晶型的确具有一定的协同效应[12]。
混晶型二氧化钛可能形成了类似复合半导体，使光生空穴和电子发生有效分离, 减少复合几率，致使光催化活性进一步提高。
商业化的高活性光催化剂P25也是由二氧化钛的两种晶型混合组成，而不是纯的锐钛矿。
5.结束语半导体光催化是利用半导体材料通过有效吸收光能产生具有极强氧化能力和还原能力的光生空穴和电子，在催化剂表面发生直接或间接的氧化或还原反应。
半导体光催化引起科学界普遍兴趣的主要原因在于其对能源利用和环境净化问题的潜在价值。
二氧化钛作为目前研究与应用最广泛的一种光催化剂，研究其晶型转变对其光催化性能的影响具有重要意义。
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