自从二氧化钛的光催化特性被发现以来，人们对这种半导体材料寄予了很大的期望。除废水净化外，光催化降解大气污染物改善空气质量也是一个非常有前景的应用。然而，在建筑饰面、道路涂料和室内涂料中使用二氧化钛的初步调查并没有显示出改善空气质量的令人信服的结果。因此，有必要寻求提高掺合二氧化钛光催化效率的方法。通过在锐钛矿改性中适当掺杂超细二氧化钛，可显著增大改性效果，从而使污染物分解速率显著提高。
从颜料到清洁剂(净化器)
二氧化钛本身具有清洁的特性。自1916年首次商业化生产以来，就产量而言，它是迄今为止最重要的白色颜料。由于其非凡的光散射能力和高亮度，它被纳入，例如，涂料，塑料，纺织品和纸张，在那里它确保白色或明亮的颜色具有良好的覆盖。在粉末和片剂等药品中用作增白剂。二氧化钛还用于化妆品、软膏、防晒霜中的紫外线阻挡剂和普通牙膏中。作为添加剂“E171”，它甚至被添加到巧克力或止咳糖等食品中。近几十年来，制造薄二氧化钛薄膜的创新工艺大大拓宽了应用范围。这种具有高折射率的薄膜在光学应用或气体传感器中的功能薄膜中具有重要意义。
除了有趣的光学和机械性能，晶体二氧化钛还表现出光催化活性。这种性质在1972年首次引起人们的注意，当时日本工人本田和藤岛发现了水在二氧化钛颗粒表面的光催化裂变为氢和氧。从那时起，密集的科学研究一直致力于二氧化钛对各种有机化合物分解的光催化作用。
1995年，研究人员发现了另一个与光催化性质密切相关的有趣效应:光感应，它可以用来使二氧化钛亲水。对结晶二氧化钛涂层表面进行紫外线照射，使这些表面的水接触角降低到小于10°，使表面上的水滴结合形成薄的水膜。这种光感应效应在许多应用中被开发，仍然有巨大的技术和商业潜力。
光催化二氧化钛的可能应用领域包括空气和水净化工厂;窗玻璃、门面、道路涂料上吸附污染物、自洁或易清洁的薄膜;还有镜子和眼镜上的防雾膜。
二氧化钛的性质和结构
二氧化钛的性质和结构二氧化钛或氧化钛(IV)是迄今为止工业上最重要的钛化合物。1791年，英国人威廉·格雷戈首次发现了它。四年后，德国化学家海因里希·克拉普罗斯以希腊神话中的巨人泰坦命名了这种化学元素。钛是一种过渡金属，占地壳的0.4% w/w。例如，它是排在碳、磷或硫之前的第十丰富元素。在自然界中，它总是以化合物的形式存在。最重要的钛矿物包括钛铁矿(钛铁矿)和二氧化钛、金红石、锐钛矿和蓝铜矿的矿物衍生物。钙钛矿和芬(钛矿)也值得一提。
在正常情况下，二氧化钛是无毒无色的固体。不溶于水，不溶于有机溶剂，不溶于所有碱和酸，但浓硫酸和氢氟酸除外。
三种改性二氧化钛的热力学稳定性
-金红石(四方晶体)，
锐钛矿(四方晶体)，和
-菱锌矿(正交晶体)，
按上面列出的顺序递减。在这三种结构中，每个钛原子都被六个氧原子八面体包围，形成TiO6八面体。这三种修饰的不同之处在于八面体之间的排列方式。在金红石中，它们通过两条边相连，在brookite中通过三条边相连，在锐钛矿中通过四条边与相邻的八面体相连(图1)。金红石是二氧化钛最稳定的改性物。锐钛矿和菱锌矿在700℃以上的温度下呈单向(即不可逆)转变为金红石。
二氧化钛作为光催化剂
带隙与光催化应用特别相关。纯锐钛矿的带隙为3.2 eV;在金红石中，它在3.0 eV时略小。由于这种带隙的大小，二氧化钛被认为是半导体(图2)。半导体的特点是，光吸收可以使电子从所谓的价带被激发通过带隙进入导带。所吸收的能量必须至少对应于价带和导带之间的能量差。空电子位置，称为空穴，然后留在价带形成电子空穴对(也称为激子)。有多少正电荷就有多少负电荷，因此半导体晶体整体上是中性的。
在这一步中，导带中的电子将氧还原为过羟基自由基(HO2·);另一方面，价带孔将水氧化为羟基自由基(HO·)(图3-D)。随后，高活性的羟基和过羟基自由基可以与有机物和许多无机化合物反应并氧化成无害的二氧化碳和水或水溶性盐(图3-E)。
通过掺杂减小带隙
在锐钛矿和金红石之间，前者表现出更高的光催化特性，这是由于其较大的带隙。但这并不是由于更高的氧化势(锐钛矿和金红石的价带位置几乎相同)，而是由于锐钛矿的传导带相对于大气氧的传导带的位置，在还原过程中，会形成活性自由基。金红石的导带位于锐钛矿的导带之下，因此它与大气中的氧气相互作用的位置不太有利。为了激发锐钛矿修饰中二氧化钛的电子，由于禁带隙的必要波长在390 nm的紫外光区，金红石在415 nm。当使用太阳作为辐照源时，只有不到10%的发射辐射光谱可以有效地用于光催化。因此，到目前为止，二氧化钛作为光催化剂的使用一直是有限的。
为了在更大的波长范围内使用光催化效应，缩小锐钛矿带隙的一种可能的方法是掺杂它，这涉及到在晶格中引入特定的缺陷。理论上的选择包括交换正离子或阴离子以在晶格结构中产生缺陷。所获得的缺陷导致条带结构的改变，这可能导致中间层的形成或原始条带的加宽(图4)。
碳是二氧化钛的合适掺杂元素。通过在晶格中引入碳原子，3.2 eV(纯锐钛矿)的带隙减小到2.32 eV(碳掺杂版本)，碳掺杂版本所需的激活波长平移到535 nm。结果表明，改性二氧化钛具有比现有锐钛矿光催化剂更大的有效光谱窗口(紫外和可见光> 400 nm)。
氮氧化物和醛的光催化分解
大城市和工业区的空气污染正成为一个国际关注的问题。特别是氮氧化物、苯、醛等造成的大气污染正在不断增加。根据最新的气候报告，氮氧化物对温室效应的影响比等量的二氧化碳更大。此外，氮氧化物和醛造成的相关健康危害是众所周知的。减少这些有害环境化合物的迫切需要是毋庸置疑的。使用光催化物质来帮助改善空气质量的研究已经进行了几年。例如，2002年，米兰7000平方米的路面被一种类似水泥的光催化材料覆盖，这使得氮氧化物的浓度降低了60%。在日本，使用光催化水泥和铺路石进行的类似调查导致空气污染显著减少。
用于建筑材料和涂料的光催化二氧化钛的开发是更有效地消除污染物的又一个重要步骤。使用碳掺杂催化剂，光催化过程也可以由人工光源或漫射光源启动，因此这些光活性基质也可以在建筑物的北侧、隧道和地下通道以及多层停车场等阴暗区域进行所需的分解反应。对氮氧化物和醛的分解的研究表明，碳掺杂的二氧化钛可以消除大部分这些和相关的污染物。一个例子是分解1ppm一氧化氮在气流三升每分钟在光催化表面照射与紫外线(a)或可见光。使用灵敏度为1ppb的荧光检测器测量光催化反应后的一氧化氮浓度。表2显示了一氧化氮浓度的结果。
二氧化钛
二氧化钛的商业生产始于20世纪20年代。全球每年生产约550万吨二氧化钛(2007年)，其中四分之三来自杜邦、Lyondell (Millennium)、Tronox、Huntsman Tioxide和Kronos。生产二氧化钛的原料主要是钛酸铁，这是一种黑色、有光泽的固体，化学式为FeTiO3，通常与磁性铁磁铁矿(氧化铁)等矿物混合成脉石。更稀有的含铁较少的金红石钛矿也被使用。矿石是通过露天开采获得的。欧洲最重要的矿藏位于挪威(ekersson - soggendal)、芬兰和伊尔门山脉(南乌拉尔)。加拿大、澳大利亚和美国也有矿藏。为了获得钛，矿石或含钛的矿渣首先被粉碎，细磨，然后用强电磁铁将磁性部分分离出来。通过制备水悬浮液进一步纯化，通过沉降和浮选分离。这种钛矿石经硫酸或氯化物工艺进一步加工。由于生态原因(稀酸的形成)，硫酸工艺较少使用
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