دی اکسید تیتانیم (Titanium Dioxide) یا تیتانیا با فرمول TiO₂ دارای وزن مخصوص 4.2-3.9، نقطه ذوب 1854 درجه سانتی گراد و سختی 6.5-5.5 است. دی اکسید تیتانیم در آب و اسیدهای آلی و محلول های رقیق قلیایی حل نمی شود اما در اسید سولفوریک گرم و HF حل می شود. دی اکسید تیتانیم در سه شکل ساختمانی آناتاز (تتراگونال)، روتیل (مکعبی) و بروکیت (ارتورمبیک) قابل متبلور شدن می باشد. دی اکسید تیتانیم به صورت سنگ های ایلمینیت (FeTiO₃)، پروسکایت (CaTiO₃) و تیتانیت ایلمینوروتیل و به صورت نادرتر به شکل روتیل در منابع معدنی یافت می شود.

دی اکسید تیتانیم به دلیل کریستالیزه شدن در هنگام پخت لعاب و اپک کردن آن (رنگدانه سفید)، تنظیم و پایدار کردن لعاب، افزایش قدرت پوشانندگی و ایفای نقش کاتالیست در افزایش سرعت واکنش ها استفاده گسترده ای در صنایع ساخت انواع رنگدانه ها و لعاب سازی دارد. به جهت داشتن ضریب شکست بالا (2.76 – 2.52) و افزایش ضریب شکست شیشه ها در ساخت انواع شیشه های اپتیکی از آن استفاده می شود. در صنایع لاستیک سازی، کاغذ سازی، سرامیک و مواد آرایشی و دارویی (خمیر دندان، پماد، پودر) به عنوان پر کننده عمل می کند. به دلیل استحکام و مقاومت به خوردگی بالای دی اکسید تیتانیم به عنوان پوشش بر روی سطوح مصنوعات فلزی به خصوص در بدنه سفینه های فضایی مورد استفاده قرار می گیرد. از دی اکسید تیتانیم تک کریستال به عنوان الماس مصنوعی استفاده شده با این تفاوت که به راحتی قابلیت تراش دارد.

از کاربردهای الکتریکی دی اکسید تیتانیم می توان به مواردی چون روپوش الکترودهای جوشکاری، الکترود لامپ های قوسی و به عنوان دی الکتریک در خازن ها به جهت داشتن ثابت دی الکتریک بالا (173 در جهت موازی با محور تک بلور و 89 در جهت عمود بر آن) اشاره نمود.

چنانچه پخت بدنه های دی اکسید تیتانیم به کمک گدازآورهایی مانند SiO2، BeO، MgO و BaCO3 در شرایط احیایی انجام گیرد جاهای خالی اکسیژنی در داخل ساختار شکل می گیرد که رنگ آن تیره و هدایت الکتریکی را افزایش می دهد و آن را به عنوان یک نیمه هادی مطرح می نماید. به طوری که با حرارت دادن آن در دمای 600 درجه سانتی گراد در اتمسفر هیدروژن به مدت 5 دقیقه ضریب هدایت از 12- 10 به 5-10  (در واحد ( cm-1 افزایش می یابد. به طور کلی رابطه غیر استوکیومتری اکسید تیتانیم به صورتTiO2-x بوده که هر قدر x بزرگتر باشد رسانایی افزایش می یابد به طوری که رسانایی TiO مشابه فلزات است. TiO از احیای TiO2 به وسیله منیزیم در دمای 600 درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون و یا هیدروژن حاصل می شود. اکسید تیتانیم با افزایش دما نیز اکسیژن از دست داده و یون های تیتانیم در جاهای خالی اکتاهدرال بین نشین می گردند و هدایت الکتریکی به طور محسوسی بالا رفته و نیمه هادی از نوع n حاصل می شود.

یکی از استفاده مهم دی اکسید تیتانیم در تهیه سنسورهای اکسیژنی است. هدایت الکتریکی دی اکسید تیتانیم با کاهش فشار اکسیژن افزایش می یابد به طوری که به ازای کاهش فشار اکسیژن از 1 به 0.1 اتمسفر هدایت الکتریکی تا 10 برابر افزایش می یابد. این حساسیت قابل توجه دی اکسید تیتانیم به فشار اکسیژن آن را به عنوان یک سنسور اکسیژنی مطرح کرده است. ترکیب غیر استوکیومتری TiO₃ به صورت TiO_2-x نشان داده می شود که به مفهوم جاهای خالی اکسیژن و یا بین نشین های تیتانیم در شبکه کریستالی می باشد. وجود عیوب چون جاهای خالی و بین نشین ها منشا ایجاد الکترون بوده و غلظت الکترون ها متناسب با PO₂ ^-1.5 می باشد. مطابق روابط ترمودینامیکی و سینتیکی نشکیل جاهای خالی برای TiO₂آسانتر از تشکیل بین نشین های تیتانیم می باشد. معمولا دی اکسید تیتانیم پلی کریستال متخلخل به دلیل افزایش سطح موثر برخورد با گاز و کاهش مقطع عرضی موثر زمان پاسخگویی کوتاهتری از خود نشان می دهد. از آنجایی که هدایت الکتریکی دی اکسید تیتانیم به طور اکسپونانسیلی با PO₂ و دما تغییر می نماید نحوه عملکرد حساسیت سنسورهای ساخته شده از آن نیز با دما تغییر می نماید. یک راه حل مهندسی جهت رفع این مشکل استفاده از یک ترموستات متصل به منبع حرارتی بوده تا بدین وسیله سنسور در یک دمای ثابت نگه داشته شود. این دمای ثابت بالاتر از دماهای گازهای خروجی است.

از آنجایی که مقاومت الکتریکی دی اکسید تیتانیم در برخورد با یک مخلوط گازی تغییر می نماید بنابراین می تواند به عنوان کنترل کننده آلودگی های گازی در خودروها و کارخانجات صنعتی عمل نماید. اکسید تیتانیم به دلیل ارزان بودن و پایداری شیمیایی خوب در محیط های خورنده و داغ می تواند سنسور یا حسگر خوبی در برابر گازهایی چون اکسیژن، NO2، CO، اتانول، متانول و غیره باشد. پایداری ساختار، اندازه دانه ها، درصد تخلخل، مواد افزودنی و ... از عواملی هستند که بر روی درجه حسگری آن تاثیر می گذارند. به عنوان مثال با کاهش اندازه ذرات این خاصیت افزایش می یابد و امروزه حسگرهای نانو به بازار مصرف آمده اند. مواد مختلفی نظیر Cu، V، Mo، Nb، Pt، Si، Cr، Ta به دی اکسید تیتانیم اضافه شده تا بعضی اثرات مورد نظر را ایجاد نمایند چنانکه کروم، تانتال، نایوبیم، تنگستن مانع استحاله فازی آناتاز به روتیل شده و مانع رشد دانه در ضمن عملیات حرارتی می شوند. معمولا سنسورهای لایه نازک دمای کاری 400-200 درجه سانتی گراد را دارند در حالی که از نوع حجیم تر قابلیت عمل در دماهای بین 1000-600 درجه سانتی گراد را دارند. کاهش ضخامت حساسیت تبدیل فازی افزایش یافته و نمی توان سنسور را در دماهای بالا به کار برد.

در عمل برای ساخت سنسورهای از نوع اکسید تیتانیم یک فیلم نازک از دی اکسید تیتانیم بر روی یک زمینه سرامیکی به عنوان زیر لایه مانند آلومینا قرار می گیرد و دو الکترود پلاتینی تغییر مقاومت این لایه نازک را اندازه می گیرند. ایجاد فیلم نازک دی اکسید تیتانیم به کمک روش های رسوب فیزیکی از فاز بخار (PVD)، رسوب شیمیایی از فاز بخار (CVD)، سل – ژل، غوطه وری و کاشت یونی انجام می گیرد. اما روش سل ژل به دلیل سادگی فرآیند، نیاز به تجهیزات کم، هزینه پایین، ایجاد سطح ویژه بالا، کنترل ریز ساختار و قابلیت رشد فیلم بر روی تمام سطوح زیر لایه از متداول ترین آن ها می باشد. در روش سل ژل از ترکیباتی چون بوتوکسید تیتانیم یا ایزوپروپکساید تیتانیم به عنوان حامل یا پیش ماده تیتانیم، از دو پروپانول یا n-بوتانول به عنوان حلال، از اسید استیک، اسید کلریدریک و استیل استون به عنوان پایدار کننده استفاده می شود. زیر لایه از جنس آلومینا، یاقوت و شیشه و یا ویفر سیلیکونی بوده که به خوبی آلودگی زدایی شده و وارد محلول سل – ژل می شود. با هیدرولیز ترکیبات آلی – فلزی یک لایه نازک از هیدروکسید تیتانیم سطح مورد نظر را می پوشاند. با عملیات خشک کردن در دمای 110-170 درجه سانتی گراد حلال تبخیر شده و با عملیات حرارتی نهایی در 400-900 درجه سانتی گراد به مدت حدود یک ساعت هیدروکسیدها تجزیه شده و فازهای آناتاز، روتیل و بروکیت شکل می گیرند. فرآیند تکرار می شود تا ضخامت مورد نظر بدست آید.

دی اکسید تیتانیم به دلیل عدم ایجاد الکتریسیته ساکن و مقاومت به سایش بالا و اصطکاک سطحی کم به عنوان هدایت کننده الیاف نساجی مورد استفاده قرار گرفته به طوری که نخ را با سرعت 50 متر بر ثانیه هدایت می کند. روتیل جهت هدایت نخ های از جنس الیاف ریون، نایلون، ابریشم، کنف، شیشه و الیاف کتانی استفاده می شود. به علت چقرمگی پایین کمتر در کاربردهای سازه ای از آن استفاده می شود.

ماسه های بادی و ساحلی به نام روتیل با 90 تا 98 درصد TiO2، ایلیمنیت (Mg, Mn, Fe)TiO3 با عیار 43 تا 61 درصد اکسید تیتانیم، سرباره های تیتان – آهن با 70 تا 85 درصد TiO2 و روتیل مصنوعی با 85 تا 90 درصد TiO2 مهم ترین منابع معدنی و صنعتی دی اکسید تیتانیم محسوب می شوند. برای تهیه دی اکسید تیتانیم خالص ابتدا منابع معدنی در دماهای بین 950 تا 1150 درجه سانتی گراد تکلیس شده تا آناتاز موجود در آن ها به روتیل تبدیل گردند. -کلریناسیون در روشی دیگر مخلوط منابع معدنی دی اکسید تیتانیم و کک در دماهای حدود 160 تا 175 درجه سانتی گراد مورد کلراسیون قرار گرفته به طوری که بخار تتراکلرید تیتانیم شکل می گیرد که با اکسیداسیون آن در یک اتمسفر اکسیژنی TiO2 تشکیل می شود:

TiO₂ (روتیل) + C+Cl₂ = TiCl₆ +CO₂+ CO       900-1000^oC

TiCl₆+ O₂+N₂ = TiO₂+2Cl₂+N₂                          1000^oC

در عمل مخلوط مواد اولیه بعد از آسیا شدن تا حد 2 تا 10 میلی متر وارد یک راکتور شده و با گاز کلر در دمای 160 تا 175 درجه سانتی گراد مورد واکنش قرار می گیرد. کلر با اکسیدهای آهن و تیتانیم واکنش داده و ترکیبات کلرید آهن و تیتانیم به شکل گازی از انتهای تیوب خارج شده و به داخل یک بالن شیشه ای با دمای 4- درجه سانتی گراد هدایت می شوند. به طوری که با میعان یافتن بخارات، مایع سیاه رنگی از کلریدهای آهن و تیتانیم شکل می گیرد. با عملیات تقطیر جزء به جزء کلرید تیتانیم که نقطه جوش پایین تری دارد از کلرید آهن جدا می شود. ناخالصی های باقی مانده از قبیل سیلیسیم، وانادیم، زیرکونیم، نقره و ... توسط شستشو با اولئوم (اسید سولفوریک دود کننده) حذف می شوند. با اضافه کردن آب و الکل اتیلیک به کلرید تیتانیم هیدرولیز کامل صورت گرفته و حالت ژله ای مانند شکل می گیرد. ژل حاصله را کلسینه نموده تا اکسید تیتانیم حاصل شود. می توان از اکسیداسیون TiCl₄ توسط اکسیژن خشک در 650 تا 700 درجه سانتی گراد اکسید تیتانیم با خلوص بالا رسید که عموما به شکل روتیل است.

- روش سولفاتی

در این روش معمولا مواد به شکل ایلمنیت به صورت کاملا ریز آسیاب شده و در اسید سولفوریک غلیظ حل می گردد (150-200 درجه سانتی گراد) به طوری که سولفات آهن و تیتانیم شکل می گیرد. با افزایش قراضه یا براده آهن یون های آهن 3 به 2 تبدیل می شود. با تبخیر محلول و سرد نمودن بعدی مقادیر زیادی سولفات آهن 2 متبلور می شود (FeSO₄.7H₂O). بعد از عمل فیلتراسیون محلول مجددا به کمک بخار آب تا دمای بین 95 تا 110 درجه سانتی گرم شده تا اینکه سولفات تیتانیم به دی اکسید تیتانیم هیدراته هیدرولیز شده و رسوب نماید. می توان با افزایش پودر اکسید تیتانیم خالص به عنوان جوانه زا سرعت رسوب دهی را افزایش داد. با فرآیند تکلیس در دماهای بین 800 تا 1000 درجه سانتی گراد اکسید تیتانیم شکل می گیرد. لازم به ذکر است که کانی روتیل در اسید سولفوریک قابل حل نیست و برای تخلیص آن باید به روش دیگری عمل کرد.