基于Rietveld精修的TiO2 纳米晶晶体相定量分析与结构稳定性研究

本研究通过异丙醇(IP)水解钛酸异丙酯(TTIP)的创新方法，成功合成高结晶度锐钛矿相TiO2 纳米颗粒。采用X射线衍射(XRD)结合Rietveld精修技术，证实材料含74%锐钛矿相，获得晶格参数(a=b=3.7886 ?, c=9.5002 ?)及应变数据(晶格应变0.61%)。通过Scherrer、Williamson-Hall等7种模型计算晶粒尺寸(6.90-120.2 nm)，TEM显示平均粒径13.29 nm。该研究为纳米材料结构-性能关系提供重要依据，对催化、生物医学等应用具有指导意义。

　　

在材料科学领域，纳米级二氧化钛(TiO₂
)因其独特的光催化性能和生物相容性备受关注。然而，如何精确控制其晶相组成和结构稳定性，一直是制约其性能优化的关键瓶颈。传统合成方法往往难以避免晶格缺陷和相杂质，而现有表征技术对纳米尺度晶体结构的解析精度有限。这些问题严重影响了TiO₂
纳米颗粒在环境催化、能源存储等领域的应用效果。

针对这些挑战，伊斯兰大学应用化学与化学工程系的研究团队在《Next Research》发表了一项突破性研究。他们开发了一种基于异丙醇(IP)水解钛酸异丙酯(TTIP)的简易合成路线，结合多尺度表征技术，系统揭示了锐钛矿相TiO₂
纳米晶的结构特征与形成机制。研究证实，该方法可获得纯度达74%的锐钛矿相，其晶格参数(a=b=3.7886 ?, c=9.5002 ?)与标准卡片(ICDD 00–064–0863)高度吻合，晶胞体积136.359 ?³
。尤为重要的是，通过创新性地应用七种晶粒尺寸计算模型，解决了纳米材料表征中的尺寸争议问题。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法合成样品，通过X射线衍射(XRD)获取晶体结构数据，并运用Rietveld精修进行定量相分析。形貌表征结合扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)，其中高分辨TEM(HR-TEM)测定(101)晶面间距为0.3540 nm。成分分析采用能量色散X射线光谱(EDS)，结构缺陷通过Williamson-Hall法计算微应变(0.0048)和位错密度(8.453×10^-3
nm^-2
)。

研究结果

Crystallographic analysis
XRD图谱显示特征峰2θ=25.288°对应(101)晶面，Rietveld精修确认样品为单一四方晶系。七种尺寸模型结果差异显著：Scherrer模型(11.83 nm)与TEM结果(13.29 nm)最接近，而线性直线模型(120.2 nm)偏差最大，提示纳米晶存在各向异性生长。

Structural stability
晶格应变(0.61%)和微应变数据表明材料具有优异的结构稳定性。选区电子衍射(SAED)呈现(101)、(004)等多重衍射环，HR-TEM显示清晰晶格条纹，证实高结晶度。

Morphological characterization
SEM显示纳米颗粒表面分散均匀，TEM-EDS验证100%纯度。粒径分布分析揭示平均晶粒尺寸(9.19 nm)小于团聚体尺寸(13.29 nm)，说明存在弱团聚效应。

结论与意义
该研究通过优化IP-TTIP水解工艺，实现了锐钛矿相TiO₂
纳米晶的可控制备。多模型交叉验证的创新方法解决了纳米晶尺寸测量的标准难题，其中Scherrer与Monshi-Scherrer模型(12.25 nm)结果最为可靠。获得的精确结构参数(如c轴长度9.5002 ?)为理解TiO₂
的相变机制提供了关键数据。

研究团队Md. Ashikur Rahaman等指出，这种高纯度锐钛矿纳米晶在光催化降解污染物方面具有特殊优势——其(101)晶面(间距0.3540 nm)能有效促进载流子分离。此外，精确控制的晶格应变(0.61%)可调控能带结构，这对开发新型太阳能电池和抗菌材料具有重要意义。该成果不仅建立了纳米材料结构-性能关系的分析范式，其简易合成路线更具工业化应用潜力。