亚稳相（Metastable Phase）是指在特定条件下虽然不是材料热力学上最稳定的相态，但能够在较长时间内保持存在的相。简单来说：热力学上不是最低能量态（不是稳定相），动力学上难以转化为稳定相，具有一定的稳定性，可以在一定条件下存在。
比如二氧化钛（TiO₂）是一类具有多晶型结构的功能性材料，其晶相类型主要包括锐钛矿（Anatase）、金红石（Rutile）和板钛矿（Brookite）三种。其中，锐钛矿和板钛矿均属于热力学亚稳相，而金红石相则为常压常温下的热力学稳定相。
锐钛矿（Anatase）作为TiO₂的典型亚稳相，因其独特的晶体结构和优异的理化性能，在光催化、能源转化和环境净化等领域表现出卓越性能。锐钛矿型TiO₂属于四方晶系（空间群 I4₁/amd），其结构中Ti原子处于近似八面体配位，Ti–O键具有轻微畸变，导致整体晶格呈现相对疏松的框架结构，这使得其比表面积较大、载流子迁移路径更短，有利于界面反应和光生电子-空穴对的分离迁移。
尽管锐钛矿相的总自由能略高于金红石相，属于热力学亚稳态，但由于其晶粒尺寸较小时表面能占主导作用，因此在纳米尺度下锐钛矿反而更为稳定。这一特性正是纳米尺度亚稳相稳定性增强效应的典型体现。此外，在特定温度条件（~600 ℃以上）或通过热处理，锐钛矿TiO₂会发生相转变，逐渐向稳定相金红石过渡。
更为重要的是，锐钛矿相TiO₂中的Ti–O键长度分布不均与八面体畸变效应，使其表面存在较高密度的低配位Ti位点和氧空位缺陷，这些结构特征进一步增强了其光催化活性和表面反应性。
热力学性质：比稳定相能量高，处于局部能量极小值，但不是全局极小值
物理/化学性质：往往表现出不同于稳定相的晶体结构、电子结构、物理化学性能
易变性：在外界刺激（温度、压力、辐照等）作用下可能转变为稳定相
亚稳相的形成通常与非平衡过程有关：快速冷却（淬火）、快速沉积（气相沉积、溅射等）、高压释放过程、非均匀掺杂以及界面效应（纳米材料）等
光催化：如锐钛矿型TiO₂比金红石型光催化活性更高
电催化：如亚稳态NiOOH、CoOOH用于析氧反应
亚稳相氧化铂析氢反应：Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/d2ee03351h
亚稳相碳：The nature of metastable phases of carbon. Nature 269, 398–399 (1977). https://doi.org/10.1038/269398a0
亚稳相催化剂的核壳设计可实现高性能选择性加氢：Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.202308839
本文源自微信公众号：材料er
原文标题：《什么是材料的亚稳相？》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Qpzia_odm8A7plvInxyWbw
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