钛元素和MXene

副族指的是III B族到II B族的各族元素。其中钛位于IV B副族。在元素周期表中，从上到下依次是钛Ti、锆Zr、铪Hf和钅卢Rf。其中Rf是人工合成的放射性元素，本文不予介绍。

Ti在地壳中质量分数为0.56%，位列第10。自然界有钛铁矿 、金红石 、钒钛铁矿、钙钛矿 和榍石灯。Zr主要有锆英石 等。

钛族元素原子的价电子层结构为 ，常见的氧化钛为IV，此时内层 轨道电子全空。此外，钛还可以表现为 +3 的氧化态。

钛失去四个电子所形成的氧化物大多数是共价型。不过通常认为 是离子型。

二氧化钛 在常温下是白色，加热后变成浅黄色。二氧化钛是带隙宽度为 3 eV 的半导体，需要 400 nm 以下的紫外光才可以激发。二氧化钛不溶于水和稀酸，微溶于碱，属于两性氧化物。

钛酸盐有钛酸根离子 ，例如 ，具有“压电效应”等物理性质。（一眼丁真，鉴定为：不如钙钛矿）

四氟化钛、四氯化钛、四溴化钛、四碘化钛的熔点分别为284℃、-25℃、39℃、150℃。四氟化钛是离子化合物，所以熔点高。四氯化钛常温下是无色液体，易挥发，具有刺激性气味。

钛除了+4的氧化态之外，还有+3的氧化态。+3的钛因为 电子构型而具有颜色，一般是紫色。

TiN 和 TiC 都是简单立方晶体结构，TiN 有离子键倾向。

TiN 为面心立方晶体结构，由金属键、共价键和离子键混合而成，同时具有金属晶体和共价晶体的特性。其熔点高达 2955℃，属于原子晶体的范畴。TiN 在 660℃ 以上的温度中才会被明显氧化。

MAX 相相属于六方晶系，通式为 ，其中

MAX 相综合了陶瓷材料和金属材料的许多优点，包括低密度、高模量、良好的导电/导热性能、抗热震性、抗损伤容限性以及优良的抗高温氧化性能等。

在 MAX 相的基础上刻蚀去除 A 元素，可以得到通式为 的材料，这种二维材料的结构与石墨烯（Graphene）相似，故而被称为 MXene。

MXene的分类如下图所示

是最典型的 MXene 材料。

研究结果表明，Ti3C2 在 DMSO、DMF、NMP、PC、乙醇和 H2O 中都能形成稳定分散溶胶（图 1-6）。进一步对各种溶剂的性质进行总结分析，发现 Ti3C2在各种溶剂中的分散性能强烈依赖于溶剂的表面张力，Ti3C2能够在表面张力大于 40 mN/m 的溶剂中形成稳定溶胶。

制取金属钛的原料主要为金红石，其中含TiO2大于96%。缺少金红石矿的国家，例如苏联，则采用钛铁矿制成的高钛渣，其中含TiO290%左右。因天然金红石涨价和储量日减，各国都趋向于用钛铁矿制成富钛料，即高钛渣和人造金红石。钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。

工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：

FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O

FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O

FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O

Fe2O3+3H2SO4 ==Fe2(SO4)3+3H2O

为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+还原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO4·7H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。

Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：

Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4

TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4

锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：

H2TiO3== TiO2+H2O

工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将TiO2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。

TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO

在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛：

TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti

这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。

也可以通过反应：Ti+2CI2=TiCI4

得到的TiCI4经过高温（1250℃左右）情况下分解：

TiCI4=Ti+2CI2

由此得到纯钛棒。

钛及钛合金的特性、用途

纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g/立方厘米，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K ，比钢高近500K。

钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有d性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。

钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。

钛具有“亲生物”性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。

钛的化合物及用途

重要的钛化合物有：二氧化钛（TiO2）、四氯化钛（TiCl4）、偏钛酸钡（BaTiO3）。

纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。它兼有铅白（PbCO3）的遮盖性能和锌白（ZnO）的持久性能。因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；纺织工业

中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。

四氯化钛是一种无色液体；熔点250K、沸点409K，有刺激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。

TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl

因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。

将TiO2和BaCO3一起熔融制得偏钛酸钡：

TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2

人工制得的BaTiO3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是BaTiO3具有显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。

钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。

钛产品：

钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料，在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。

类型：碘化钛，工业纯钛， α 型钛， β 型钛， α +β型钛

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