二氧化钛

二氧化钛

材料1102班，0607110203，马瑶

1.任选一陶瓷材料，给出：

（1）

（2）化学分子式：TiO2

化学键：Ti=O双键

晶体结构：TiO2在自然界中存在三种同素异形态，即金红石型、锐钛型和板钛型三种，它们的性质是有差异的。其中，金红石

型TiO2是三种变体中最稳定的一种，即使在高温下也不发生转

化和分解。金红石型TiO2的晶型属于四方晶系，品格的中心有

一个钛原子，其周围有6个氧原子，这些氧原子正位于八面体

的棱角处，两个TiO2分子组成一个晶胞。其品格常数为a＝

0．4584nm，c＝0．2953nm。锐钛型TiO2的晶型也属于四方晶

系,由四个TiO2分子组成一个晶胞，其晶格常数a＝0．3776nm，c＝0。9486nm。锐敏型TiO2仅在低温下稳定，在温度达到6l0℃

时便开始缓慢转化为金红石型，730℃时这种转化已有较高速

度，915℃可完全转化为金红石型。板钛型TiO2的晶型属于斜

方晶系，六个TiO2分子组成一个晶胞，其晶格常数a＝0．545nm，

b＝0．918nm，c＝0．515nm。板钛型TiO2是不稳定的化合物，在加温高于650℃时则转化为金红石型。

（3）阳离子与阴离子电子轨道

钛离子：1s22s22p63s23p6

氧离子：1s22s22p6

（4）阴阳离子间的杂化轨道

无杂化

2.在此基础上，阐述该陶瓷材料的

（1）力学性能：采用微弧氧化技术在钛表面得到一层纳米多孔二氧化钛陶瓷层，晶粒尺寸约为20~60nm。微弧氧化膜与基体结合强度高于30MPa，弹性模量为720GPa左右，而且具有较好的抗剪切能力，有利于种植在体内具有较稳定的力学性能。

（2）电学性能：二氧化钛具有半导体的性能，它的电导率随温度的上升而迅速增加，而且对缺氧也非常敏感。例如，金红石型二氧化钛在20℃时还是电绝缘体，但加热到420℃时，它的电导率增加了107倍。稍微减少氧含量，对它的电导率会有特殊的影响，按化学组成的二氧化钛(TiO₂)电导率<10-10s/cm，而TiO1.9995的电导率则高达

10-1s/cm。金红石型二氧化钛的介电常数和半导体性质对电子工业非常重要，该工业领域利用上述特性，生产陶瓷电容器等电子元器件。（3）磁学性能：有一种思路是赋予纳米Ti02磁性，在反应完成后借助外加磁场的作用加以分离回收。即制备一种核壳型复合粒子，这种粒子包括一个赋予体系磁性的磁核和一个具有催化活性的Ti02外壳。

这样制备出来的Ti02既保持了纳米粒子的高比表面积和传质效率，又易于从体系中分离回收，便于循环使用。由于二氧化钛的体积效应，复合体系的磁性能都有所下降。实际上，二氧化钛可被看作是包覆在磁核上的无磁性的覆盖层。核壳型复合催化剂有较好的循环利用性能。磁载Ti02光催化剂在水相中不仅分散良好，保持了颗粒状Ti02高的流动性和有效比表面积，且反应完成后还可借助外加磁场的作用实现快速的分离回收。

（4）光学性能：纳米T iO2的光催化反应机理可以用能带理论来解释. 纳米T iO2是一种电子导电型半导体氧化物, 半导体纳米粒子由于其空间限制, 它的电子能级是分裂的, 而金属导体则是连续的。在半导体化合物的原子轨道中存在有空的能量区, 这个空的能量区由充满

电子的价带缘延伸至空的导带缘, 称为禁带宽度或带隙能(E g), 其

数值上等于导带与价带的能级差。当光线照射半导体化物时, 价带上的电子跃迁到导带,激发电离出的电子和正电性的空穴形成电子- 空穴对。反应物水溶液中的水分子吸附在纳米粒子表面,然后其表面的空穴与溶解在粒子表面的水和氧气反应, 产生氢氧自由基, 氢氧自由基有极强的氧化能力，能氧化分解水中大部分的有机物和无机物, 并使之转变为二氧化碳和水或其它无毒无机物。二氧化钛表面的电子有很强的还原能力, 可将水中的金属离子还原。

对纳米T iO2光学性能的研究不断取得新的进展, 最大发现就是纳米T iO2的紫外线屏蔽特征. 纳米T iO2对紫外线的吸收主要来源于它的半导体性质, 即在紫外光照射下, 电子被激发由价带向导带跃

迁引起的紫外光吸收.用溶胶凝胶法制备的T iO2薄膜是以锐钛矿型

和金红石晶型存在的, 分别用270, 280, 290,400nm的光激发T iO2薄膜, PL光谱结果表明, 吸收峰对应着不同的发光中心, 如电子空穴对、自由激子、束缚激子和缺陷等, 薄膜具有直接光致电子跃迁和间接光致电子跃迁现象, 相对体相T iO2的理论值有明显的蓝移, 且呈现量子尺寸效应, 发光主要集中在蓝紫光谱区, 有很好的荧光特性。