氧化钛(IV)（13463-67-7）的定义及应用领域

2025-10-21

氧化钛（IV）即二氧化钛，是一种白色无机化合物，化学式为TiO?。氧化钛 (IV) 的晶体结构是其性能的基础，三种晶型在晶格排列、稳定性上差异明显，工业中仅金红石和锐钛矿型有实际应用：

1、金红石型（Rutile）的晶格结构为四方晶系，空间群P4?/mnm，晶胞参数a=0.459nm、c=0.296nm，每个晶胞含2个TiO?分子；结构最稳定，密度最高（4.26g/cm3），光反射率低，耐候性、化学稳定性优异，是涂料、塑料等领域的首选晶型。

2、锐钛矿型（Anatase）同样为四方晶系，空间群I4?/amd，晶胞参数a=0.378nm、c=0.951nm，每个晶胞含 4 个TiO?分子；稳定性低于金红石型（加热至400-600℃会转化为金红石型），但光催化活性远高于金红石型，是光催化材料、太阳能电池的核心晶型。

3、板钛矿型（Brookite）为斜方晶系，空间群Pbca，结构不稳定，常温下易转化为金红石或锐钛矿型，无实际工业应用，仅存在于天然矿物中。

氧化钛的性能

光学性能：纯TiO?为白色粉末，对可见光（400-760nm）的反射率高达90%以上，且折射率高（金红石型n=2.71，锐钛矿型n=2.55），是优质的白色颜料；具有“光响应特性”，锐钛矿型TiO?在紫外光（波长 < 387nm）照射下，价带电子会跃迁到导带，产生光生电子-空穴对，这是其光催化活性的来源。

电学性能：常温下为绝缘体，禁带宽度金红石型约3.0eV，锐钛矿型约3.2eV；掺杂金属离子（如Nb??、Ta??）或非金属离子（如N3?、C??）后，可转变为半导体或导体，用于电子器件（如透明导电薄膜、传感器）。

稳定性：在常温下不与水、稀酸（盐酸、硫酸）、稀碱反应，仅溶于氢氟酸（HF）和热浓硫酸，耐腐蚀性强；在空气中加热至1000℃以下不氧化、不分解，耐候性优异，长期暴露在光照、雨水环境中性能无明显衰减。

光催化活性：锐钛矿型TiO?在紫外光照射下产生的光生电子-空穴对，可氧化分解有机物（如甲醛、苯）、还原重金属离子（如Cr??→Cr3?），同时具有杀菌作用（破坏细菌细胞膜）；通过掺杂（如N掺杂）或复合（如与石墨烯复合），可将光响应范围扩展到可见光区域，提升光催化效率，降低对紫外光的依赖。

氧化钛的应用领域

二氧化钛具有高折射率、高白度、良好的化学稳定性和光催化活性等特点，是一种重要的工业原料。

1、涂料与塑料领域

作为外墙涂料、内墙乳胶漆的白色颜料，添加量约10%-20%，可提供优异的遮盖力（遮盖力约10-15g/m2）和白度，且耐候性强（外墙涂料使用寿命可达10-15年，不褪色、不粉化）；部分高端涂料会使用纳米级TiO?，利用其光催化活性实现“自清洁功能”——雨水冲刷时，TiO?在光照下分解表面灰尘和有机物，保持墙面洁净。在聚乙烯、聚丙烯、PVC等塑料中添加5%-15%的TiO?，可提升塑料的白度、不透明度和耐老化性，避免塑料因光照（紫外线）导致的脆化、变色；

2、电子与能源领域

掺杂Nb??（铌）的TiO?（NTO）薄膜，具有高透光性（可见光透过率≥85%）和低电阻率（约1×10?? Ω·cm），可替代ITO作为透明导电电极，用于柔性显示屏、触摸屏；优势在于成本低（Nb价格远低于In）、耐酸碱腐蚀性强，适合在恶劣环境中使用（如工业控制显示屏）。

在染料敏化太阳能电池（DSSC）中，TiO?纳米颗粒（锐钛矿型）作为光阳极，吸附染料分子后，可高效传输光生电子，提升电池转换效率（实验室效率可达13%-15%）；钙钛矿太阳能电池（PSC）中，TiO?作为电子传输层（ETL），可减少电子复合，提升电池稳定性，封装后的电池在模拟阳光下工作1000小时，效率衰减率 < 5%。

纳米TiO?薄膜对气体（如H?、CO、NO?）具有高敏感性，气体分子吸附在薄膜表面会改变其电阻，通过检测电阻变化可实现气体的定性和定量分析

3、医疗与化妆品领域

制备TiO?生物陶瓷，用于骨科植入物（如人工关节、骨螺钉），因TiO?生物相容性好，可与人体骨骼紧密结合（骨整合性），且耐体液腐蚀，使用寿命可达15-20年；将TiO?涂覆在医用口罩、手术器械表面，在紫外光照射下可杀灭细菌和病毒（如新冠病毒灭活率 > 99%），降低交叉感染风险。作为物理防晒剂（俗称 “钛白粉”），添加在防晒霜、隔离霜中，通过反射和散射紫外线（UVA和UVB）实现防晒效果。

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