一、晶型結構與穩定性

1. 金紅石型

• 晶體結構：四方晶系，空間群為 P4?/mnm，TiO?八面體通過共邊連接形成致密結構。

• 穩定性：穩定的晶型，高溫下（>650℃）仍保持結構穩定，自然界中以礦物形式存在。

• 物理特性：密度 4.2-4.3 g/cm3，莫氏硬度 6-6.5，折射率高達 2.62-2.91，具有優異的光學散射能力和化學惰性。

2. 銳鈦礦型

• 晶體結構：四方晶系，空間群為 I4?/amd，TiO?八面體通過共角連接形成開放結構，比表面積較大。

• 穩定性：低溫下穩定（<610℃），加熱至 610℃以上逐漸轉變為金紅石型，轉變溫度為 915℃。

• 物理特性：密度 3.8-3.9 g/cm3，莫氏硬度 5.5-6，帶隙較寬（3.2 eV），對紫外光響應強烈。

3. 板鈦礦型

• 晶體結構：斜方晶系，空間群為 Pbca，TiO?八面體通過共邊和共角連接，結構復雜且對稱性較低。

• 穩定性：最不穩定的晶型，650℃以上迅速轉變為金紅石型，自然界中罕見。

• 物理特性：密度 4.1-4.25 g/cm3，帶隙約 2.96 eV，光催化活性較高但易因結構缺陷導致載流子復合。

二、性能差異與應用

（一）金紅石型：工業主力，性能均衡

• 核心優勢：高折射率、強遮蓋力、優異的耐候性和化學穩定性。

• 典型應用：

• 涂料與塑料：作為白色顏料（鈦白粉），提供高白度和抗老化性能，廣泛用于建筑涂料、汽車漆和塑料薄膜。

• 化妝品：納米級金紅石型 TiO?用于防曬霜，通過散射和吸收紫外線實現高效防曬。

• 電子材料：利用其高介電常數（~180）制備陶瓷電容器和光學棱鏡。

（二）銳鈦礦型：光催化明星，活性突出

• 核心優勢：較大的比表面積、高表面活性位點和強紫外光吸收能力。

• 典型應用：

• 光催化領域：降解有機污染物（如亞甲基藍、甲醛）、光解水制氫及抗菌涂層，常見于空氣凈化器和自清潔材料。

• 染料敏化太陽能電池（DSSC）：作為光陽極材料，通過吸附染料分子提升光電轉換效率。

• 傳感器：對 NO?、H?等氣體具有高靈敏度，用于環境監測。

（三）板鈦礦型：研究熱點，潛力待釋放

• 核心優勢：獨特的層狀結構和中等帶隙，理論上兼具光催化活性和穩定性。

• 典型應用：

• 科研探索：通過氟離子修飾等手段優化其表面性質，提升光催化效率，用于降解污染物和 CO?還原。

• 特殊功能材料：在鋰離子電池電極和高壓物理研究中展現潛在價值。

三、晶型調控與混晶效應

1. 制備方法影響

• 金紅石型：高溫煅燒（>800℃）、氣相沉積法（CVD）或添加礦化劑（如 P2O5）可促進其形成。

• 銳鈦礦型：溶膠 - 凝膠法、水熱法（100-200℃）及低溫煅燒（<500℃）是常用方法。

• 板鈦礦型：需嚴格控制水熱條件（如 pH=4-6、溫度 150-200℃）或引入特定模板劑。

2. 混晶協同效應

• 銳鈦礦 - 金紅石復合結構：通過異質結界面促進光生載流子分離，顯著提升光催化性能。例如，銳鈦礦（001）晶面與金紅石（110）晶面的結合可優化電荷傳輸路徑。

• 工業應用案例：鈦白粉生產中通過控制煅燒溫度，可獲得含少量銳鈦礦的金紅石型產品，兼顧遮蓋力和耐候性。

四、檢測與表征方法

1. X 射線衍射（XRD）

• 利用特征衍射峰區分晶型：銳鈦礦（2θ=25.3°）、金紅石（2θ=27.5°）、板鈦礦（2θ=28.8°）。

• 通過全譜擬合法或強度比值法定量分析晶型比例。

2. 拉曼光譜

• 金紅石型：特征峰位于 448 cm?1（E_g）和 612 cm?1（A?g）；銳鈦礦型：144 cm?1（E_g）和 197 cm?1（E_g）。

3. 透射電子顯微鏡（TEM）

• 觀察晶體形貌和晶格結構，區分銳鈦礦的八面體與金紅石的柱狀晶形。

五、總結

• 金紅石型憑借穩定性和光學優勢主導工業市場；

• 銳鈦礦型以光催化活性在環保和能源領域獨樹一幟；

• 板鈦礦型雖不穩定，但通過結構修飾和復合設計正逐漸從實驗室走向應用。