Kristallstruktur
Titan(IV)-oxid in der Modifikation Rutil _Ti4+0_O2−
Allgemeines
Name	Titan(IV)-oxid
Andere Namen	Titandioxid Titansäureanhydrid Rutil Anatas Brookit E 171[1] C.I. Pigment White 6 C.I. 77891 CI 77891,[2]TITANIUM DIOXIDE (INCI)[3]
Verhältnisformel	TiO2
Kurzbeschreibung	weißes, kristallines Pulver[4]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 13463-67-7 (TiO2) 1317-70-0 (Anatas) 12188-41-9 (Brookit) 1317-80-2 (Rutil) EG-Nummer 236-675-5 ECHA-InfoCard 100.033.327 PubChem 26042 ChemSpider 24256 DrugBank DB09536 Wikidata Q193521
Eigenschaften
Molare Masse	79,866 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	4,24 g·cm−3 (Rutil)[4] 3,9 g·cm−3 (Anatas)[4] 4,13 g·cm−3 (Brookit)[4]
Schmelzpunkt	1855°C[4]
Siedepunkt	2900 °C[4]
Löslichkeit	nahezu unlöslich in Wasser, organischen Lösemitteln, verdünntenBasen[5] und verdünnten Säuren löslich in heißer konzentrierterSchwefelsäure,Flusssäure und geschmolzenen Alkalimetallhydroxiden und Alkalimetallcarbonaten[5]
Brechungsindex	optischanisotrop, doppelbrechend oder zweiachsig[6]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[4] keine GHS-Piktogramme weitere Einstufungen für Partikel ≤ 10 μm H- und P-Sätze H:keine H-Sätze P:keine P-Sätze
MAK	Schweiz: 3 mg·m−3 (gemessen alsalveolengängiger Staub)[7]
Toxikologische Daten	>5,5 mg·l−1 (LC50, Krustentiere, 48 h)[4]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex:Na-D-Linie, 20 °C

Titan(IV)-oxid (Titandioxid) ist das IV-wertigeOxid desTitans. Neben diesempolymorphen Oxid gibt es eine Reihe an nichtstöchiometrischen Suboxiden des Titans, sogenannte Magneli-Phasen sowie dasTitan(III)-oxid undTitan(II)-oxid.^[8]

Titandioxid hat alsWeißpigment ein weites Einsatzgebiet, daher werden weltweit pro Jahr vier bis fünf Millionen Tonnen produziert.^[9] Die Haupteinsatzgebiete liegen im Bereich der Beschichtungen wie Lacke und Anstriche, gefolgt von Kunststoffeinfärbungen und Laminatpapieren. Farbige Produkte enthalten in der Regel auch Weißpigmente, um ein hohesDeckvermögen zu erreichen.

Die Verwendung von Titandioxid alsLebensmittelzusatzstoff ist umstritten, da Gesundheitsrisiken nicht ausgeschlossen werden können.^[10] Mit Wirkung zum 7. August 2022 ist die Anwendung von Titandioxid in Lebensmitteln imEWR nicht mehr zulässig.^[11][12]Die Schweiz hat ein Verbot per 15. März 2022 beschlossen, jedoch mit einer Übergangsfrist von sechs Monaten.^[13]Öko-Test berichtete 2023 von Titandioxid in Kinderzahnpasta.^[14]

Nachdem Titan1791 vonWilliam Gregor im MineralIlmenit entdeckt und alsMenachanite (nach seinem Fund in Manaccan, im südlichen Cornwall) bezeichnet worden war, erkannteHeinrich Klaproth das Titandioxid im MineralRutil. Klaprothbenannte das Mineral im Jahr 1795 nach der mythologischen Geschichte derTitanenTitanium (gemäß derTheogonie sind Titanen das älteste Göttergeschlecht).

Die ChemikerPeder Farup (1875–1934) undGustav Jebsen (1861–1923) erfanden ein Verfahren zur Trennung von Titan undEisen im Mineral Ilmenit. In den 1910er Jahren erfolgten weitere gemeinsame Entdeckungen der beidennorwegischen Chemiker, insbesondere zur Herstellung der anorganischen chemischen Verbindung Titandioxid und im Jahr1915 zumSulfatverfahren.^[15] Das Verfahren zur Herstellung von Titandioxid wurde zum Patent angemeldet. Heute ist der Sulfatprozess noch immer von Bedeutung. Das Sulfatverfahren ist der häufigste methodische Prozess zur Herstellung von Titandioxid.

Seit die hervorragende Eignung von Titan als weißesPigment 1908 inNorwegen und denUSA erkannt wurde, setzte auch die industrielle Nutzung ein. Der Chemiker Gustav Jebsen, einer der Entdecker des Sulfatverfahrens, wirkte auch als Industrieller.

Ab 1916 wurde das Pigment unter der BezeichnungKronos Titan White kommerziell hergestellt.^[16] Bis 1938 wurde Titanweiß nur in derAnatas-Modifikation hergestellt, dann aber zunehmend in der Rutil-Modifikation, da derenphotokatalytische Aktivität geringer und dieBewitterungsstabilität der daraus hergestellten Produkte entsprechend höher ist. Für beide Modifikationen ist das Titandioxid geeignet.

Das Weißpigment auf der Basis der Rutil-Modifikation wird auch als Rutilweiß bezeichnet.

Mehr als die Hälfte der Produktionsmenge wird in Lacken eingesetzt, gefolgt von Polymeren und Papier.^[17] 70 % der Weltproduktion wurde 2014 von fünf Herstellern der westlichen Welt produziert. Neben dem MarktführerChemours (USA, vorherDuPont) sind dies die UnternehmenCristal Global (2019 von Tronox übernommen, Saudi-Arabien),Tronox (USA),Venator Materials (Vereinigtes Königreich, ehemals Teil vonHuntsman, USA) undKronos (USA). Der größte Hersteller in Asien istLomonBillions (Volksrepublik China). Laut einer Darstellung des Unternehmens Venator Materials vom Juni 2018 verfügten die fünf größten westlichen Hersteller über 54 % der weltweiten Produktionskapazität.^[18] Die Regionen, die am meisten Titandioxid verbrauchen, sindEuropa (1,72 Mio. t), dieVolksrepublik China (1,42 Mio. t), Rest-Asien (1 Mio. t) undNordamerika (0,89 Mio. t).^[19]

Titan(IV)-oxid kommt in der Natur in fünfModifikationen vor:

• Rutil ist ein in dertetragonalenRaumgruppeP4₂/mnm (Raumgruppen-Nr. 136)Vorlage:Raumgruppe/136 kristallisierendesMineral von meist prismatischemHabitus mit denGitterparameterna = 4,59 Å undc = 2,96 Å sowie 2Formeleinheiten proElementarzelle. Seine gemesseneDichte beträgt 4,23 g/cm³. Rutil ist die bedeutendste und einzige bei hohen Temperaturen stabile Modifikation des Titandioxids.

• Anatas kristallisiert ebenfalls tetragonal, jedoch in der höchstsymmetrischen RaumgruppeI4₁/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141 (Hermann-Mauguin-Symbol 4/m2/m2/m) mit den Gitterparameterna = 3,78 Å undc = 9,51 Å sowie 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle. Er entwickelt meist dipyramidale (tetragonal-oktaedrische) Kristalle von durch Verunreinigungen erzeugter schwarzgrauer, rötlichbrauner oder blauer Farbe. Bei 700 °C wandelt sich Anatas, abhängig von der Atmosphäre und Fremdionen, irreversibel in Rutil um. Die gemessene Dichte von Anatas beträgt zwischen 3,79 und 3,97 g/cm³.

• Brookit kristallisiert in der orthorhombischen RaumgruppePbca (Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61 mit den Gitterparameterna = 9,17 Å;b = 5,45 Å undc = 5,14 Å sowie 8 Formeleinheiten pro Elementarzelle. Er entwickelt tafelige bis prismatische Kristalle und hat eine gemessene Dichte zwischen 4,08 und 4,18 g/cm³. Auch Brookit geht unterhalb desSchmelzpunktes in Rutil über. Technisch hat er keine Bedeutung.

• Akaogiit (IMA 2007-058) ist mit einerDichte von 4,72 g/cm³ ein ultradichter Polymorph von Titandioxid mit der Struktur vomBaddeleyit-Typ, der in geschocktemGranatgneis imNördlinger Ries entdeckt wurde. Akaogiit kristallisiertmonoklin-prismatisch in der RaumgruppeP2₁/c (Nr. 14)Vorlage:Raumgruppe/14 mit den Gitterparameterna = 4,606(2) Å;b = 4,896(3) Å;c = 4,933(3) Å und β = 99,17(6)°.^[20]

• Riesit (IMA 2015-110a) ist eine ebenfalls erstmals im Nördlinger Ries entdeckte und nach seinerTyplokalität benannte Hochdruckmodifikation des Titandioxids, die in der monoklinen RaumgruppeP2/c (Nr. 13)Vorlage:Raumgruppe/13 mit den Gitterparameterna = 4,519(3) Å;b = 5,503(8) Å;c = 4,888(2) Å und β = 90,59(8)° kristallisiert. Seine Dichte von 4,37 ± 0,11 g/cm³ ist etwas geringer als die von Akaogiit, aber höher als die der anderen Modifikationen.^[21]

Neben den natürlichen Modifikationen sind acht synthetisch hergestellte Modifikationen bekannt, davon sind drei metastabil (monoklin, tetragonal und orthorhombisch) und fünf Hochdruckmodifikationen (α-PbO₂-, Baddeleyit-, Cotunnit- sowie orthorhombische und kubische Strukturen). Die Modifikation mitCotunnit-Struktur wurde von L. Dubrovinsky et al. als härtestes bekanntes Oxid mit einerHärte nach Vickers von 38 GPa und einemKompressionsmodul von 431 GPa (zum Vergleich: Diamant hat 442 GPa bis 446 GPa) unter Normaldruck beschrieben.^[22]Spätere Studien kamen zu anderen Ergebnissen mit tieferen Werten für die Härte (7–20 GPa, somit weicher als Oxide wieKorund Al₂O₃ und Rutil)^[23] und das Kompressionsmodul (≈ 300 GPa).^[24][25]

Titandioxid kann im Labor durchHydrolyse von Ti(IV)-Verbindungen, wieTitanoxidsulfat,Titantetrachlorid oder Metallalkoholaten wie dasTitan-tetraisopropylat hergestellt werden:

${\displaystyle \mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{O}(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{T}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2\cdot \mathrm{x}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4}$

Reaktion von Titanoxidsulfat mit Wasser zu Titanoxohydrat undSchwefelsäure

${\displaystyle \mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{T}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2\cdot \mathrm{x}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}$

Reaktion von Titantetrachlorid mit Wasser im ersten Schritt zuTitanoxychlorid undSalzsäure und dann zu Titanoxohydrat und Salzsäure

${\displaystyle \mathrm{T}\mathrm{i}(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2{)}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{T}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_2+4(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}}$

Titano-tetraisopropylat und Wasser reagieren zu Titandioxid undIsopropanol

Da die Titansäureester der niederenn-Alkanole zu heftig reagieren, empfiehlt sich die Verwendung der Isopropanol- odertert-Butanolester.^[33]Das so erhaltene Titanoxohydrat, formal TiO(OH)₂ oder TiO₂xH₂O, wird durchKalzinierung in Anatas oder Rutil überführt, wobei reines, hochgeglühtes Titandioxid stets das Rutilgitter ergibt.^[33] Die Verbrennung vonTitan(IV)-chlorid mit Sauerstoff wird im Labormaßstab selten angewendet. Sehr reines Titandioxid lässt sich durch Hydrolyse von gereinigtem TiCl₄ herstellen.^[33]

Da die Hauptmenge des technisch hergestellten TiO₂ als Pigment verwendet wird, stören färbende Ionen wieEisen. Als Erze werden für dasSulfatverfahren in der RegelIlmenit (FeTiO₃) oder titanhaltigeSchlacken aus derElektroreduktion des Ilmenits eingesetzt.^[34] Diese Schlacke, genau wie Rutil ausalluvialenLagerstätten, kann auch im technisch anspruchsvollerenChloridverfahren eingesetzt werden. Beide Verfahren erhöhen die Reinheit des Titanoxids deutlich. Die Summe der färbenden Ionen liegt in der Regel unter 200 ppm beim Sulfatverfahren, hauptsächlich Niob, untergeordnet Eisen, und weniger als 50 ppm beim Chloridverfahren, Niob und Eisen.

Bei der industriellen Herstellung von Titanoxid ausIlmenit nach dem Sulfatverfahren entstehtDünnsäure (verdünnte Schwefelsäure), die meist nach Konzentration für den Ilmenit-Aufschluss wiederverwendet wird. In einigen Ländern wird diese Dünnsäure bis heute zum Teil in Flüsse und Meere geleitet oderverklappt. Die Gewinnung nach demChloridverfahren, vorwiegend aus Rutil-Erz oder TiO₂-Schlacke, lässt dagegen keine Dünnsäure entstehen. Das verwendeteChlor bleibt weitgehend im Prozesskreislauf. Die in beiden Verfahren entstehenden Eisensalze werden unter anderem zur Chromat-Reduktion in Zementen, Abwasserbehandlung und in Biogas-Anlagen eingesetzt.

Einkristalle von Rutil werden in der Regel nach demVerneuil-Verfahren hergestellt.^[35] Vereinzelt wird auch dasZonenschmelzverfahren eingesetzt, während dasCzochralski-Verfahren als ungeeignet beschrieben wird.^[36][37]

Die Herstellung von Anatas-Einkristallen kann nicht aus der Schmelze erfolgen. Hier werdenCTR-Verfahren eingesetzt.^[38]

Der Schmelzpunkt von Titandioxid liegt bei 1855 °C, die Verbindung ist thermisch stabil. Titandioxid ist außerdem chemischinert. Es ist lichtbeständig, preiswert und daher das bedeutendste Weißpigment. Für Lebensmittel war es als Zusatzstoff E 171 zugelassen.

DerBrechungsindex von Titanoxid ist hoch, außerdem zeigt es eine großeDispersion. Der Brechungsindex hängt zusätzlich deutlich von der Kristallmodifikation ab. Titandioxid istdoppelbrechend. Dabei erreicht der Unterschied im Brechungsindex zwischenordentlichem Strahl und außerordentlichem Strahl einen Wert von bis zu${\displaystyle \mathrm{\Delta }n=0,29}$.

Auskoloristischer Sicht hat Titandioxid infolge des hohen Brechungsindexes das höchsteDeckvermögen allerWeißpigmente und gleichzeitig ein hervorragendesAufhellvermögen. Das maximale Deckvermögen von Titandioxid liegt bei einerKorngröße von etwa 200 nm bis 300 nm je nach Anwendung und Bezugsgröße, anzahlbezogene oder massenbezogene Größenverteilung.^[39][40][41]

Titandioxid ist einHalbleiter, somit ist am Temperaturnullpunkt dasValenzband voll gefüllt und das Leitungsband unbesetzt. DieBandlücke ist von der Modifikation abhängig. Lichtquanten mit einer Energie größer als die Bandlücke werden absorbiert. Auch UV-Licht kann ab der entsprechenden Wellenlänge absorbiert und so ein UV-Schutz hergestellt werden. Durch kurzwellige Lichteinstrahlung werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben und hinterlassen einLoch. Die Größe der Bandlücke ist von der Kristallrichtung und zusätzlich im Bereich vonnanopartikulärem Material von der Teilchengröße abhängig.

Titandioxid hat eine vergleichsweise hoheDielektrizitätskonstante. Für Rutil liegt sie bei ε = 111 in der kristallographischen a-Richtung und ε = 257 entlang der c-Achse.^[43] Andere Quellen nennen kleinere Werte^[44], wobei die Werte von Messparametern wie Frequenz und Temperatur abhängig sind. Anwendungen sind zum BeispielHigh-k-Dielektrika.

Von den Titanoxiden ist das Titan(IV)-dioxid die häufigste Verbindung. Es ist chemisch inert und kann nur in heißer Schwefelsäure, Flusssäure und heißen Laugen gelöst werden. Es ist teilweise Ausgangsmaterial für die Herstellung vonTitanaten. Bei Beleuchtung mit UV-Licht könnenphotokatalytische Radikalreaktionen stattfinden.

Titandioxid findet überwiegend als weißes, chemisch stabiles Pigment Verwendung und ist imColour Index unter C.I. Pigment White 6 bzw. C.I. 77891 aufgeführt.

Titandioxid hat einen Brechungsindex, der deutlich größer als der der meisten organischen Stoffe ist, die zur Bindung von Farben eingesetzt werden. Das bedeutet, dass Pigmente aus Titanoxid das Licht effektiv streuen, so dass sich eine gut deckende weiße Farbe ergibt. Dabei liegt die optimale Größe der Pigmente im Bereich von 200 nm bis 300 nm. Der Größenbereich ergibt sich aus derMie-Theorie. Die Partikelgröße beeinflusst zum einen die Deckkraft und zum anderen den Farbton, feinteiligere Pigmente erscheinen blaustichiger. Die wichtigsten Anwendungen sind mit rund 60 % Marktanteil Beschichtungsmaterialien und 25 % Polymer-Anwendungen. Titandioxid findet auch in derÖlmalerei Verwendung. Zu den technischen Anwendungsgebieten von Titandioxid, auf die rund 80 Prozent des gesamten Verbrauchs entfallen, zählenFarben undLacke,Kunststoffe und Textilien; gebraucht wird es auch bei derPapierherstellung zur Erzielung eines hohenWeißgrades.

Reines Titandioxid kommt dabei außer als E 171 kaum zum Einsatz, da neben der UV-Schutzwirkung durch das TiO₂ lichtinduzierte chemische Radikal-Reaktionen stattfinden. Durch eine Funktionalisierung der Pigmentkörner wird dieser Effekt vermindert und gleichzeitig eine Verbesserung der Farbeigenschaften, in der Regel durch einfachere Dispergierung, erreicht.^[45]Einige Anwendungen, z. B. für Fasern oder Zementanwendungen, verwenden trotz der höheren photochemischen Aktivität Anatas-Pigmente, während die Mehrzahl der Anwendungen auf Rutil-Pigmente zurückgreift.

In Deutschland wurde Titandioxid durch dieFarbstoff-Verordnung ab 1959 alsLebensmittelfarbstoff für die Verwendung in Lebensmitteln zugelassen.^[46] Zur Übernahme derRichtlinie des Rats zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten für färbende Stoffe, die in Lebensmitteln verwendet werden dürfen in nationales Recht wurde die Farbstoff-Verordnung 1966 angepasst und für Titandioxid dieE-NummerE 171 aufgenommen.^[47] Ab 1978 wurde die Verwendung in Deutschland durch dieZusatzstoff-Zulassungsverordnung geregelt. Durch dieVerordnung (EG) Nr. 1333/2008, die am 20. Januar 2009 in Kraft trat, wurde die Verwendung von Titandioxid alsLebensmittelzusatzstoff im ganzenEWR einheitlich geregelt.^[48] AlsEuropäische Verordnung gilt diese unmittelbar in allen Mitgliedsstaaten, nationale entgegenstehende Regelungen sind nicht zulässig. In der Schweiz, wo die lebensmittelrechtliche Zulassung durch dieZusatzstoffverordnung (ZuV) (Stand: Juli 2020^[49]) geregelt wird, war Titandioxid ab 1979 als Lebensmittelfarbstoff zugelassen.^[50]

Titandioxid wird weltweit beispielsweise als Aufheller für Zahnpasta, Kaugummi, Süßwaren, Käse oder Saucen sowie alsTrennmittel eingesetzt.^[51] In der EU und der Schweiz war die Anwendung von E 171 als FarbstoffGruppe II: Lebensmittelfarbstoffe ohne Höchstmengenbeschränkung in zahlreichen Anwendungen zugelassen.^[52][49]

Im Jahr 2020 setzte Frankreich die Verwendung von Titandioxid als Zusatzstoff in Lebensmitteln aus.^[53] Im Mai 2021 stufte dieEuropäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) Titandioxid als nicht sicher für den menschlichen Verzehr ein, da eine negative Wirkung auf dasmenschliche Erbgut nicht ausgeschlossen werden kann.^[10][54][55] Mit Wirkung zum 7. Februar 2022 wurde die genehmigte Anwendung von Titandioxid als Lebensmittelzusatzstoff aus derVerordnung (EG) Nr. 1333/2008 gestrichen. Lebensmittel, die entsprechend der vorher gültigen Fassung vor diesem Datum produziert wurden, durften bis zum 7. August 2022 in Verkehr gebracht werden und bis zu ihrem Mindesthaltbarkeits- oder Verbrauchsdatum auf dem Markt bleiben.^[11] In der Schweiz mussten titandioxidhaltige Lebensmittel seit dem 1. Mai 2021 den VermerkNano in derZutatenliste tragen,^[53] bis die Verwendung verboten wurde.^[50] Einige Hersteller verzichteten bei ausgewählten Produkten freiwillig vorher auf den umstrittenen Farbstoff.^[56] Im März 2022 teilte dasBundesamt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen mit, dass das Verbot per 15. März 2022, mit einer Übergangsfrist von sechs Monaten, in Kraft tritt.^[13]

Titandioxid-Pigmente werden in Kosmetika sowie als UV-Blocker inSonnencremes verwendet.^[57] In der EU ist die Verwendung von Titandioxid in Kosmetika durch dieVerordnung (EG) Nr. 1223/2009 über kosmetische Mittel geregelt. In der aktuellen Fassung (Stand: Februar 2022) ist Titandioxid als Farbstoff (Nummer 143 in Anhang VI) und als UV-Filter (Nummer 27 in Anhang VI) zugelassen. Dabei gibt es Einschränkungen für Titandioxid mitmindestens 1 % Partikel mit aerodynamischem Durchmesser kleiner als 10 μm in pulverförmigen Anwendungen (Nummer 321 in Anhang III); diese Beschränkung einatembarer Partikel soll die Belastung der Lunge verringern.

Über 30.000 Medikamente enthalten Titandioxid.^[58] DieEU-Kommission hat im Mai 2021 angekündigt, die EU-Arzneimittelbehörde EMA um eine Untersuchung zu bitten, ob und wie sich Titandioxid in Medikamenten ersetzen lässt. Laut Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte enthalten ca. 32 % der in Deutschland zugelassenen „festen oralen Darreichungsformen“ Titandioxid.^[58] Nachdem im Februar 2022 Anwendungen für Titandioxid als Lebensmittelzusatzstoff aus der Verordnung (EG) Nr. 1333/2008 gestrichen wurden, bleibt dessen Verwendung in Medikamenten aufgrund der wissenschaftlichen Analyse der EMA und zur Vermeidung von Arzneimittelengpässen vorerst weiter erlaubt.^[11] Allerdings sind Pharmaunternehmen angehalten, Anstrengungen zu unternehmen, Titandioxid durch andere Stoffe zu ersetzen. Innerhalb von drei Jahren soll geprüft werden, ob E 171 weiterhin in der EU-Liste der Lebensmittelzusatzstoffe zur ausschließlichen Verwendung als Farbstoff in Arzneimitteln notwendig ist oder es von dieser Liste gestrichen werden kann. Die EMA als zuständige Behörde ist dazu angehalten, vor dem 1. April 2024 eine erneute Bewertung zum Titandioxid vorzulegen.^[11]

Viele Hersteller bieten Photokatalysatoren auf TiO₂-Basis an. Dies sind in der Regel Anatase, Anatas-Rutil-Mischungen oder dotierte Titandioxide mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.^{[59][60][61][62][63]} Die Photokatalyse ist eineheterogene Katalyse, bei der unter UV-Beleuchtung gasförmige oder gelöste Stoffe perRadikalreaktion oder Ladungsträgerübergang an Titandioxid oder anderen Stoffen reagieren. Durch die Beleuchtung mit UV-Licht, dessen Energie größer als die Bandlücke ist, oder durch die weniger effiziente Anregung aus den Störstellen einer Dotierung werden freie Ladungsträger, Elektronen imLeitungsband und Löcher imValenzband, erzeugt. In der Regelrekombinieren diese Ladungsträgerpärchen sehr schnell, allerdings kann durch die Bandverbiegung im Bereich der Oberfläche eine Ladungsträgertrennung erfolgen. Diese reagieren in der Regel mit adsorbiertem Sauerstoff und Wasser zu Hydroxi- und Peroxi-Radikalen.^[64] In der Regel, außer bei direkten Ladungsübergängen zu Adsorbaten, reagieren die Radikale mit adsorbierten Organika. Die Reaktionspfade bis zur vollständigen Mineralisierung können sehr komplex sein und viele Photonenanregungen benötigen.^[65]

Bei der Außenanwendung, als Beispiel sei diephotokatalytische Selbstreinigung genannt, wird in der Regel der UV-Anteil desSonnenlichtsASTM 1.5 von etwa 3 % ausgenutzt, maximal etwa 35 W/m².^[66] Innenanwendungen fallen meist ungünstiger aus, zum einen ist der UV-Anteil sehr gering oder bei dotierten Katalysatoren ist die Reaktionsrate gering. Die Kenngrößen in der Photokatalyse sind verschieden definierteQuantenausbeuten. Typische Werte können kaum angegeben werden, da sehr viele Parameter in die Katalyse eingehen. Meist werden aber Größenordnungen von 1 Reaktion auf 1000 Photonen genannt.^[67][68] Ein weiteres Problem dabei ist, dass die photokatalytischen Reaktionen keine Unterscheidung zwischen der organischen Bindermatrix und den Schadstoffen machen. Ungeeignete Bindersysteme neigen daher zu einer frühenKreidung.

Bei der Herstellung vonoptischem Glas wird TiO₂ zur Beeinflussung der optischen Dispersion (sieheAbbe-Zahl) eingesetzt; in vielenFlintgläsern ersetzt es das früher verwendeteBlei(II)-oxid. Titandioxid in der Anatas-Modifikation ist Hauptbestandteil der Katalysatoren, die für die industrielle Entstickung von Rauchgasen nach demSCR-Verfahren eingesetzt werden. Auf den Halbleitereigenschaften des Titandioxids basiert die Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle). Mit Hilfe von Titandioxid gelang die Herstellung vonMemristoren.^[69] Titandioxid wird ebenfalls als Hauptbestandteil des Keramik-Dielektrikums in Klasse-1-Keramikkondensatoren eingesetzt. Synthetische Rutil-Einkristalle werden aufgrund ihrer optischen Eigenschaften für optischePrismen oder als Diamantimitate eingesetzt. Die Imitate sind aber aufgrund der Doppelbrechung leicht zu erkennen. Darüber hinaus wird Titandioxid zur Herstellung vonPrüfaerosolen verwendet.^[70][71]

Bei denWimbledon Championships und anderen Tenniswettbewerben, die auf Gras ausgetragen werden, wird eine Masse, die Titandioxid enthält, zum Markieren der Linien auf dem Tennisplatz verwendet. Mit einem Transferradmarker wird eine weiße Masse (jährlicher Verbrauch: rund 1900 Liter) aufgetragen. Alle Linien sind 50 mm breit, mit Ausnahme der Grundlinien, die 100 mm breit sind.

In der Kälte frisch gefälltes Titandioxid istamphoter und in verdünnten Mineralsäuren löslich. Ein Aufschluss erfolgt mit Kaliumhydrogensulfat im Porzellantiegel. Anschließend wird in kaltem Wasser mit etwas Schwefelsäure gelöst. Mit einigen Tropfen Wasserstoffperoxid bildet sich das gelbe (basisch) bis gelborange (sauer, Foto) [Ti(O₂)·aq]²⁺-Kation.

Beistratigraphischen Untersuchungen an 115 Jahre alten, etwa 15 mal lackierten WienerStadtbahngeländern vonOtto Wagner wurde das erstmalige Auftreten von Rutilweiß zur Datierung von Lackschichten genutzt.^[72]

Titandioxid ist nicht alswassergefährdend eingestuft.^[4]

DerAusschuss für Risikobewertung (RAC) derECHA bewertete im Juni 2017 den Einstufungsvorschlag der französischen Behörde, die die Einstufung und Kennzeichnung als „wahrscheinlichkrebserzeugend beim Menschen“ (Carc 1B) vorgeschlagen hatte, und kam zum Ergebnis, dass Titandioxid als krebsverdächtig bei inhalativer Aufnahme einzustufen ist (Carc 2). Dieser Einstufungsvorschlag musste von der Europäischen Kommission geprüft und in geltendes Recht umgesetzt werden.^[73] Drei Farbenhersteller klagten beim Europäischen Gericht gegen diese Einstufung. Am 23. November 2022 erklärte das EuG die Regelung für nichtig. Denn erstens habe sich der RAC und anschließend auch die EU-Kommission auf eine wissenschaftliche Studie verlassen, die die Dichte der fraglichen Partikel nicht korrekt berechnet habe. Und zweitens sei gegen das Kriterium verstoßen worden, wonach sich die Einstufung eines Stoffes als karzinogen nur auf einen Stoff beziehen darf, der die intrinsische Eigenschaft hat, Krebs zu erzeugen, d. h. die Kanzerogenität müsse dem Stoff eigen sein. Bei Titandioxid hingegen bestehe die Gefahr der Karzinogenität nur in Verbindung mit bestimmten lungengängigen Partikeln, wenn sie in einem bestimmten Aggregatzustand, einer bestimmten Form, einer bestimmten Größe und einer bestimmten Menge vorhanden seien; sie zeige sich nur bei einer Lungenüberlastung und entspreche einer Partikeltoxizität.^[74]

Sehr hohe Konzentrationen vonNanopartikeln, also Partikeln mit weniger als 100 nm, führen in der Lunge zuImmunreaktionen.^[75] Die Immunreaktion wird mit der Möglichkeit eines entzündungsbasierten Krebsrisikos diskutiert, wobei oftmals mit nanopartikulärem TiO₂ kleiner 100 nm getestet wird und pigmentäres TiO₂ größer 200 nm als Beispielanwendung und für die Produktionsmenge herangezogen wird.^[76]

In einer Gruppe aus 56 Personen, die selektiv aufgrund von Problemen mit Titan-Implantaten ausgewählt wurden, zeigten 21 Personen eine positive Reaktion imMELISA-Test(Lymphozytentransformationstest) mit TiO₂, während alle 54 Personen der Gruppe, die mittelsPatch-Test getestet wurden, negativ getestet wurden.^[77] In einer Studie der University of North Carolina wurde herausgefunden, dass Titandioxid-Nanopartikel giftig für Microglia-Gehirnzellen bei Mäusen sind.^[78]

Bei Versuchen vonBiologen an derUniversität Koblenz-Landau mitDaphnien (Wasserflöhe) wurden teilweise deutliche Effekte trotz geringer Titandioxid-Konzentrationen im Wasser festgestellt:^[79] Die eingesetzten Konzentrationen bis zu 2 mg/l lagen im Versuch um einen Faktor von bis zu über 1000 über der in der Umwelt vermuteten Konzentration von ng/l bis wenigen µg/l. Die primäre Wirkung erfolgte über eine Anlagerung von Partikeln an denChitinpanzer der Wasserflöhe mit in der Versuchsgruppe tödlichen Folgen.^[80] Die nächste Generation der Daphnien zeigte in den Studien über einen nicht interpretierten und analysierten Wirkungsmechanismus ebenfalls Schädigungen.^[81] Diese Untersuchungen stehen teilweise im direkten Widerspruch zu einer älteren Studie mit noch deutlich höheren Konzentrationen bis 50 mg/l.^[82]

In Ratten wurden vomINRA nach 100 Tagen oraler Titandioxid-Verabreichung u. a.Darmentzündungen festgestellt. Die Dosis von 10 mg/kg entspricht laut den Autoren der Menge, der Menschen durch die Verwendung als Lebensmittelfarbe E 171 ausgesetzt sein können.^[83] Auch eine andere Studie zeigt, dass Darmentzündungen durch E 171 verstärkt werden können.^[84][85]

Untersuchungen zur Zytotoxizität von photokatalytisch aktiven Titandioxid-Nanopartikeln ergaben: Nanopartikel aus Titandioxid können unter Absorption von UV-Strahlung reaktive Radikale bilden, die in der Lage sind, viele organische Substanzen abzubauen. Diese Eigenschaft bietet zahlreiche industrielle Anwendungen, birgt aber auch das Risiko schädlicher Auswirkungen auf lebende Organismen.^[86]

Sicherheitshinweise
Name	Gemische in Form von Puder mit einem Gehalt von mindestens 1 % Titandioxid in Partikelform oder eingebunden in Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von ≤ 10 μm
CAS-Nummer	13463-67-7
EG-Nummer	236-675-5
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[88] ggf. erweitert[87] Achtung H- und P-Sätze H:351 EUH:211​‐​212 P:?
Toxikologische Daten	>5,5 mg·l−1 (LC50, Krustentiere, 48 h)[87]

Titan(IV)-oxid wurde 2012 von der EU gemäß derVerordnung (EG) Nr. 1907/2006 (REACH) im Rahmen derStoffbewertung in den fortlaufenden Aktionsplan der Gemeinschaft (CoRAP) aufgenommen. Hierbei werden die Auswirkungen desStoffs auf die menschliche Gesundheit bzw. die Umwelt neu bewertet und ggf. Folgemaßnahmen eingeleitet. Ursächlich für die Aufnahme von Titan(IV)-oxid waren die Besorgnisse bezüglich anderer gefahrenbezogener Bedenken sowie der vermuteten Gefahren durch krebserregende Eigenschaften und der möglichen Gefahr durch mutagene Eigenschaften. Die Neubewertung läuft seit 2018 und wird vonFrankreich durchgeführt. Um zu einer abschließenden Bewertung gelangen zu können, wurden weitere Informationen nachgefordert.^[89]

Nachdem Titandioxid bei Tierversuchen zu Entzündungen geführt und Forscher darüber hinaus krebserregende Eigenschaften vermutet hatten, entschloss sich Frankreich 2019, die Verwendung in Lebensmitteln ab 2020 zu verbieten.^[90]

Eine mögliche Gesundheitsgefahr wird vor allem im Einatmen von Stäuben gesehen, dies war Gegenstand zahlreicher Diskussionen. Im Oktober 2019 beschloss die EU-Kommission eine Einstufung und Kennzeichnung vonTitandioxid in Pulverform mit mindestens 1 % Partikel mit aerodynamischem Durchmesser ≤ 10 μm als vermutlichkarzinogen für den Menschen (Kategorie 2) durch Einatmen (H351 i).^[91] Am 18. Februar 2020 wurde die vorgeschlagene Einstufung von Titandioxid im Rahmen der14. ATP (Adaption to technical progress) in derVerordnung (EU) Nr. 2020/217 verabschiedet und war damit zum 1. Oktober 2021 verbindlich umzusetzen.^[92][91]

Nachdem der deutsche HerstellerCWS Powder Coatings Klage erhoben hatte, erklärte derGerichtshof der Europäischen Union im November 2022 dieDelegierte Verordnung der Europäischen Kommission aus dem Jahr 2019 für nichtig, soweit sie die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung von Titandioxid in bestimmten Pulverformen als karzinogener Stoff bei Einatmen betrifft. Eine Gefahr für Krebs besteht laut Gericht nur in Verbindung mit bestimmten lungengängigen Titandioxidpartikeln, wenn sie in einem bestimmten Aggregatzustand, einer bestimmten Form, einer bestimmten Größe und einer bestimmten Menge vorhanden seien. Das reiche für die pauschale Einstufung von Titandioxid als krebserregend nicht aus. Unberührt von dem Urteil bleibt das Verbot der Verwendung in Nahrungsmitteln. Das Urteil ist noch nicht rechtskräftig.^[93][94]

• zusatzstoffe-online.de:Titandioxid
• Bundesamt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen:Titandioxid
• Dossiers zum Thema Titandioxid angeboten vonZahnärztliche Mitteilungen

• CoRAP-Stoff
• Gefährlicher Stoff mit harmonisierter Einstufung (CLP-Verordnung)
• Stoff mit Verdacht auf krebserzeugende Wirkung
• Oxid
• Oxidkeramik
• Titanverbindung
• Anorganisches Pigment
• Verbindungshalbleiter
• Pharmazeutischer Hilfsstoff
• Lebensmittelfarbstoff
• Beschichtungswerkstoff
• Lebensmittelzusatzstoff (EU)
• Futtermittelzusatzstoff (EU)

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