二氧化鈦有三種礦物形式：銳鈦礦、金紅石和板鈦礦。 銳鈦礦相二氧化鈦的結(jié)構(gòu)屬于四方晶系， 其中每個(gè)八面體與周?chē)?8 個(gè)八面體相連接（ 4 個(gè)共邊， 4 個(gè)共頂角）， 4 個(gè) TiO2 分子組成一個(gè)晶胞(圖 （ b） )， 主要用于紫外光照射下的光催化劑。 由于高電子遷移率、低介電常數(shù)和低密度， 銳鈦礦二氧化鈦在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中很受歡迎。 金紅石相二氧化鈦也是四方晶系， Ti 原子位于晶格中心， 6 個(gè)氧原子位于八面體的棱角上， 每個(gè)八面體與周?chē)?10 個(gè)八面體相連（其中有八個(gè)共頂角，兩個(gè)共邊），兩個(gè) TiO2 分子組成一個(gè)晶胞（ 圖 （ a） ）。 金紅石相在大多數(shù)的溫度和壓力下都比較穩(wěn)定。 作為催化劑來(lái)講，金紅石相二氧化鈦的活性是非常低的，所以其主要用作涂料中的白色顏料。 板鈦礦二氧化鈦屬于斜方晶系， 6 個(gè) TiO2 分子組成一個(gè)晶胞。 因?yàn)榘邂伒V相晶體結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，所以在自然界中存在比較稀少。
三種晶相中金紅石相是最穩(wěn)定的， 銳鈦礦相和板鈦礦相經(jīng)過(guò)加熱處理后會(huì)發(fā)生不可逆的放熱反應(yīng)， 最終轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相。
圖 1 ?TiO2 的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)：（ a）金紅石相，（ b）銳鈦礦相
二氧化鈦是寬能帶半導(dǎo)體材料，其銳鈦礦相、金紅石相和板鈦礦相的禁帶寬度分別是 3.2 eV、 3.02 eV 和 2.96 eV。 TiO2 的價(jià)帶由 Ti 的 3d 軌道和與之雜化的 O 的 2p 軌道組成， 而導(dǎo)帶只有 Ti 的 3d 軌道。 當(dāng)用波長(zhǎng)小于等于 387 nm 的光照射 TiO2時(shí)，其價(jià)帶上的電子就會(huì)被激發(fā)進(jìn)入到導(dǎo)帶，形成帶負(fù)電的高活性電子 e-，同時(shí)在價(jià)帶上形成帶正點(diǎn)的空穴 h+，即電子-空穴對(duì)， 如圖 2 所示。
圖 2 TiO2 光照反應(yīng)機(jī)制
二氧化鈦屬于過(guò)渡金屬氧化物，其相對(duì)密度與其結(jié)晶形態(tài)、粒徑大小、化學(xué)組分有關(guān)。 金紅石相是二氧化鈦?zhàn)罘€(wěn)定的結(jié)晶形態(tài)， 致密的結(jié)構(gòu)使其與銳鈦礦相比具有更高的硬度、密度、介電常數(shù)與折光率。 銳鈦礦型二氧化鈦的相對(duì)密度 3.8～3.9 g/cm3，金紅石型二氧化鈦的相對(duì)密度為 4.2～4.3 g/cm3。 由于金紅石相二氧化鈦單位晶格由兩個(gè)二氧化鈦分子組成，所以相比其由四個(gè)二氧化鈦分子組成的銳鈦礦相二氧化鈦來(lái)講，其單位晶格較小且更緊密， 所以具有較大的穩(wěn)定性和相對(duì)密度， 因此具有較高的折射率和和介電常數(shù)及較低的熱傳導(dǎo)性。
由于二氧化鈦的介電常數(shù)較高，因此具有優(yōu)良的電學(xué)性能。在外電場(chǎng)的作用下，其離子之間相互作用，形成了極強(qiáng)的局部?jī)?nèi)電場(chǎng)。在這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，離子外層電子軌道發(fā)生了強(qiáng)烈變形，離子本身也隨之發(fā)生了很大位移。二氧化鈦晶型所含微量雜質(zhì)等都對(duì)介電常數(shù)影響很大。金紅石型的介電常數(shù)隨二氧化鈦晶體的方向而不同：當(dāng)與 C 軸相平行時(shí)，測(cè)得其介電常數(shù) 180；呈直角時(shí)為 90；其粉末平均值為 114。銳鈦型二氧化鈦的介電常數(shù)只有 48。
二氧化鈦具有半導(dǎo)體的性能，其電導(dǎo)率隨溫度的上升而迅速增加，而且對(duì)缺氧也非常敏感。如金紅石型二氧化鈦在 20 ℃時(shí)還是絕緣體，但加熱到 420 ℃時(shí)電導(dǎo)率增加了 107 倍；按化學(xué)計(jì)量組成的二氧化鈦（ TiO2）電導(dǎo)率＜10-10 s/m，而當(dāng)二氧化鈦失去少量氧時(shí)， 如 TiO1.9995 的電導(dǎo)率卻有 10-1s/m。電子工業(yè)常利用金紅石相二氧化鈦的介電常數(shù)和半導(dǎo)體性質(zhì)來(lái)生產(chǎn)陶瓷電容器等電子元器件。二氧化鈦無(wú)毒，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，是一種偏酸性的兩性氧化物。與氧、硫化氫、二氧化硫、二氧化碳和氨都不起反應(yīng)，也不溶于水、脂肪酸和其他有機(jī)酸及弱無(wú)機(jī)酸，微溶于堿和熱硝酸，只有在長(zhǎng)時(shí)間煮沸條件下才能完全溶于濃硫酸和氫氟酸。
納米二氧化鈦（ TiO2）作為一種光催化劑，是一種性能優(yōu)良的 N 型半導(dǎo)體納米材料， 可以充分利用太陽(yáng)能，既高效節(jié)能又環(huán)保，并且在發(fā)生反應(yīng)時(shí)表現(xiàn)出較好的光穩(wěn)定性和較高的反應(yīng)活性， 無(wú)毒，成本廉價(jià)， 無(wú)二次污染，是當(dāng)前應(yīng)用前景最為廣闊的一種納米功能材料。 被廣泛應(yīng)用于廢水處理、空氣凈化、殺菌消毒、醫(yī)療技術(shù)和制備環(huán)保型材料等領(lǐng)域。
