二氧化钛的制备及光催化性能研究(2)
就目前研究而言，常规的掺杂元素进二氧化钛的工艺复杂，操作难度较大影响因素多，但掺杂杂元素的二氧化钛材料可以解决传统的二氧化钛光催化材料的低光量子产率问题及光响应范围窄的问题，本课题将会研究出一种新的二氧化钛制备方法。即在合成过程中通过加入有机或无机试剂，对二氧化钛纳米粒子的表面或体相进行改性，使得二氧化钛表面存在氧空穴以及表面羟基增加，从而拓宽二氧化钛对可见光的响应。
1.2 二氧化钛的简介
1.2.1二氧化钛简述
二氧化钛俗称钛白粉，钛糖，钛酐。英文名称：Titanium Dioxide，英文别名 Titanium Dioxide modified; Hombikat; Titanium Dioxide Anatase; Titanium Oxide; 等。可以溶于热浓硫酸，硝酸等强酸。折射率：2.76~2.55，线膨胀系数：25/℃，莫氏硬度：6-7，5.5-6，电容率：114~31。
CAS NO. 13463-67-7。EINECS 236-675-5，其分子式为TiO2，分子量 79.87，摩尔质量：79.8658g/mol。
1.2.2二氧化钛的三种晶体结构
根据二氧化钛晶体结构可分为三类，分别为锐钛矿，板钛矿，金红石。这三种结构都是由相同的基本组成单位[TiO6]8-八面体组成的，只有由于基本单位中键长或键角的不同而造成晶体结构不同。由图1.1可以直观的看到[TiO6]8-八面体的基本结构，6个氧离子围绕一个Ti4+离子形成一个八面体结构。三个钛原子围绕着一个氧原子，这三个钛原子也被三个钛原子围绕成为中心[1]。这三种晶体产生结构差异的主要因素是顶点或边是否共享，边棱共享组成的骨架结构是锐钛矿，由一八面体共享顶点且共享边组成的是金红石和板钛矿。我们可以把四个氧离子连成一个面这样就能把锐钛矿构造视为一种四面体结构， 金红石和板钛矿结构是将四氧离子键的长度稍作改变，既为八表面结构的晶格畸变。图1.1是金红石锐钛矿和板钛矿三种晶格的单元。由图可看到，将[TiO6]8-八面体沿着对角线方向拉长可得一个八面体即为金红石的八面体单元结构。因此，图1-2(a)中可以看出键长有所不同，Ti-O1键的长度大于Ti-O2键的长度，然而O1-Ti-O2的键角还是90°，没有发生改变与原来一样。使金红石的单元中的键角是90°，改变键角就要使两个O1 发生改变，沿着四重轴的方向拉伸，是故由于两个O1方向的改变，锐钛矿单元八面体中O1-Ti-O2键角占有至关重要的角色，当O1-Ti-O2键角不再文持在90⁰直角形态就形成了锐钛矿晶体结构，这也是金红石与锐钛矿结构的主要差别便是这键角的不同，这所得的就是锐钛矿的单元结构。
在锐钛矿和金红石的八面体结构单位通过分子式就可以看出只有钛和氧两种元素， 其中连接Ti的O可以被分为O1、O2两种。不过只有锐钛矿与金红石相可以根据结构将上下顶点O元素分为O2，剩余O元素分为O1，而板钛矿中只有一种O元素。相较而言使晶体结构不同的原因是O-Ti-O的键角不同，锐钛矿和金红石相的键角是规则的90°或180°，板钛矿则发生改变成为锐角或钝角。多面体连接规则表明晶体结构的稳定性与共用棱数成反比。由图1.2可以直观看出金红石，板钛矿，锐钛矿的单位八面体结构共用的棱数分别为2，3，4条。故可看出金红石相最为稳定，高温生成金红石相后不可逆。板钛矿作为一种特殊的亚稳相结构较为活泼使用较少。
1.1：金红石（a），锐钛矿（b），板钛矿(c)的TiO6八面体结构
1.2：[TiO6]8-结构单元的连接方式：（a）共顶点（b）共边
1.2.3 二氧化钛三种晶相的物理性质对比
如前文上述所说根据二氧化钛的基本单位[TiO6]8-八面体原子排列以及O1-Ti-O2的键角角度不同可以构成三种不同的晶体结构， 故二氧化钛可分为板钛矿、锐钛矿、金红石三种，二氧化钛晶体的晶胞参数可以由空间对称性和X射线衍射数据算出，数据结果列于表1.1。