1.2TiO2的结构和基本性质

1.2.1晶体结构

自然界中的TiO2存在着三种同素异构体，即金红石型、板钛矿型和锐钛矿型三种。

图1-1所示，金红石型是四方晶系，晶格中心处是一个钛原子，周围分布着六个O原子，分别位于八面体的六处棱角上，两个TiO2分子组成一个晶胞[2]。金红石型TiO2相对于其他的两种形态来说极其稳定，或者说是比较懒惰，因而对于催化剂来说，它的催化活性不高，不是一个好的选择。

图1-1金红石四方晶体结构

板钛矿型的TiO2属于斜方晶系，6个TiO2分子组成一个晶胞。晶格常数a=0.545，b=0.918，c=0.515，因为板钛矿型的TiO2不够稳定，比较容易转变成金红石型，因而在自然界中存在比较稀少，所以也有不将其算作一种晶相的说法。

图1-2锐钛矿型四方晶体结构

如图1-2所示，锐钛矿型也属于四方晶系，四个TiO2分子构成一个晶胞，晶格常数a=0.3776，c=0.9486，锐钛矿型于属于四方晶系，4个TiO2分子组成一个晶胞，虽不如晶红石型稳定，但其光催化活性和超亲水性较高，因而是TiO2光催化剂中的主要成分。

三种晶相中锐钛矿相和板钛矿相会在温度相对较高，条件相对较容易达成的一种环境中经过一个放热过程（由一种高能态转变为另一种低能态的晶体构成的一个过程，同时有热力学第二定律可知，这一过程是不可逆的），晶体结构发生较大的一次转变，最终都会转变成结构最稳定，能量最低的低能态的金红石相。

1.2.2能带结构

TiO2是一种宽能带的半导体材料，其能带结构一般由三个部分组成：填满电子的低能态的价带，没有电子存在的禁带和高能态的导带构成，这里所说的价带，导带，禁带指的不是实际的空间位置而是电子的能量分布（比如说没有电子存在的禁带其实是没有电子具有禁带所表示的能量），TiO2半导体能带宽度较大，其中锐钛矿相的禁带宽度是3.2eV、金红石型的禁带宽度是3.02eV和板钛矿相是2.96eV。半导体的吸收阈值与禁带宽度的关系为λg（nm）=1240/Eg（eV），有前面的这个计算可知TiO2半导体的吸收波长阈值等于387nm，当其表面受到波长小于等于该阈值波长的光子轰击时，其价带上的电子就会将光子的能量吸收掉从而被激发进入到导带，形成带负电的电子（e-），同时在材料内部形成带正点的空穴（h+），即光生电子-空穴对（e-，h+）[3]。这些受激产生的电子-空穴对有的在短时间内就会发生作用而相互中和掉，剩下的则会在外界能量的作用在分离并迁移至材料的表面上的各处，促使吸附在其表面的物质进行氧化还原反应。而随着禁带宽度的增加，其对应产生的电子-空穴的电势会逐渐变高。因此决定TiO2半导体催化能力的是能带位置和还原电势。

1.2.3物理化学性质

TiO2属于过渡金属氧化物，其相对密度与其结晶的晶型、纳米颗粒的大小以及化学组分有关。

表1-1TiO2三种晶体结构的对比

晶体结构 晶系 相对密度

金红石型 斜方 4.2-4.3

板钛矿型 四方 4.1-4.2

锐钛矿型 四方 3.8-3.9

从上表的对比不难看出金红石相是TiO2材料中最稳定的一种构型，致密的结构使其具有更高的硬度、密度。金红石相TiO2单位晶格由两个TiO2分子组成，锐钛矿相TiO2单位晶格由四个TiO2分子组成，比较而言金红石相TiO2的单位晶格更小因此也更紧密，在稳定性和相对密度方面也更好更高，因此也就具有较高的介电常数和折射率以及较低的导热系数。 水热法制备TiO2的表征及光催化性能研究(2):http://www.youerw.com/guanli/lunwen_204225.html