Оксид церия (IV) - Cerium(IV) oxide

Оксид церия (IV)
Имена
	Название ИЮПАК Оксид церия (IV)
	Другие имена Оксид ; церия, ; церий, диоксид церия
Идентификаторы
Количество CAS
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard	100.013.774
PubChem CID
UNII
Панель управления CompTox ( EPA )
	ИнЧИ InChI = 1S / Ce.2O / q + 4; 2 * -2 Ключ: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N ; InChI = 1 / Ce.2O / q + 4; 2 * -2 Ключ: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYAX ;
	Улыбки [O-2] = [Ce + 4] = [O-2];
Характеристики
Химическая формула	CeO 2
Молярная масса	172,115 г / моль
Появление	белое или бледно-желтое твердое вещество, ; слегка гигроскопично
Плотность	7,215 г / см 3
Температура плавления	2400 ° С (4350 ° F, 2670 К)
Точка кипения	3500 ° С (6330 ° F, 3770 К)
Растворимость в воде	нерастворимый
Магнитная восприимчивость (χ)	+ 26,0 · 10 −6 см 3 / моль
Состав
Кристальная структура	кубическая кристаллическая система , cF12 ( флюорит )
Космическая группа	FM 3 м, # 225
Постоянная решетки	a = 5,41 Å, b = 5,41 Å, c = 5,41 Å α = 90 °, β = 90 °, γ = 90 °
Координационная геометрия	Ce, 8, кубический ; O, 4, четырехгранный
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)	1 0 0
Родственные соединения
Родственные соединения	Оксид церия (III)
	Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
	проверить ( что есть ?)
	Ссылки на инфобоксы

Оксид церия (IV) , также известный как цери оксид , цери диоксид , оксид церия , оксид церия или диоксида церия , представляет собой оксид из редкоземельного металла церия . Это бледно-желто-белый порошок с химической формулой CeO ₂ . Это важный коммерческий продукт и промежуточный продукт при очистке элемента от руд. Отличительным свойством этого материала является его обратимое превращение в нестехиометрический оксид .

Производство

Церий встречается в природе в виде смеси с другими редкоземельными элементами в основных рудах бастнезита и монацита . После экстракции ионов металлов водным основанием Ce отделяют от этой смеси добавлением окислителя с последующим регулированием pH. На этом этапе используется низкая растворимость CeO ₂ и тот факт, что другие редкоземельные элементы сопротивляются окислению.

Оксид церия (IV) образуется при прокаливании из церия оксалата или гидроксида церия .

Церий также образует оксид церия (III) , Ce
₂О
₃, который нестабилен и окисляется до оксида церия (IV).

Структура и дефектное поведение

Оксид церия имеет структуру флюорита , пространственную группу Fm 3 m, # 225, содержащую 8-координатный Ce ⁴⁺ и 4-координатный O ^2- . При высоких температурах он выделяет кислород , образуя нестехиометрическую форму с дефицитом анионов, которая сохраняет решетку флюорита. Этот материал имеет формулу CeO _{(2− x )} , где 0 < x <0,28. Величина x зависит как от температуры, поверхностного окончания, так и от парциального давления кислорода. Уравнение

{\ displaystyle {\ frac {x} {0,35-x}} = \ left ({\ frac {106 \, 000 {\ text {Pa}}} {P _ {\ mathrm {O} _ {2}}}} \ right) ^ {0.217} \ exp \ left ({\ frac {-195.6 {\ text {кДж / моль}}} {RT}} \ right)}

было показано, что можно предсказать равновесную нестехиометрию x в широком диапазоне парциальных давлений кислорода (10 ³ –10 ^–4 Па) и температур (1000–1900 ° C).

Нестехиометрическая форма имеет цвет от синего до черного и демонстрирует как ионную, так и электронную проводимость, причем ионная является наиболее значительной при температурах> 500 ° C.

Число кислородных вакансий часто измеряют с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для сравнения соотношения Ce³⁺
в Ce⁴⁺
.

Дефект химии

В наиболее стабильной флюоритной фазе оксида церия он обнаруживает несколько дефектов в зависимости от парциального давления кислорода или напряженного состояния материала.

Основными дефектами, вызывающими озабоченность, являются кислородные вакансии и небольшие поляроны (электроны, локализованные на катионах церия). Увеличение концентрации кислородных дефектов увеличивает скорость диффузии оксидных анионов в решетке, что отражается в увеличении ионной проводимости . Эти факторы обеспечивают благоприятные характеристики оксида церия в качестве твердого электролита в твердооксидных топливных элементах . Нелегированный и легированный оксид церия также демонстрируют высокую электронную проводимость при низких парциальных давлениях кислорода из-за восстановления иона церия, приводящего к образованию небольших поляронов . Поскольку атомы кислорода в кристалле церия расположены в плоскостях, диффузия этих анионов легка. Скорость диффузии увеличивается с увеличением концентрации дефектов.

Наличие кислородных вакансий на замыкающих плоскостях церия определяет энергетику взаимодействия церия с молекулами адсорбата и его смачиваемость . Контроль таких взаимодействий с поверхностью является ключом к использованию оксида церия в каталитических приложениях.

Естественное явление

Оксид церия (IV) встречается в природе как минерал церианит (Ce) . Это редкий пример минерала четырехвалентного церия, другими примерами являются стетиндит (Ce) и дирнезит (La) . Суффикс «- (Ce)» известен как модификатор Левинсона и используется, чтобы показать, какой элемент доминирует в определенном месте в структуре. Часто встречается в названиях минералов, содержащих редкоземельные элементы (РЗЭ). Появление церианита (Ce) связано с некоторыми примерами аномалии церия , когда Ce, который легко окисляется, отделяется от других РЗЭ, которые остаются трехвалентными и, таким образом, соответствуют структурам других минералов, кроме церианита (Ce).

Катализ и поверхностная активность

В первую очередь применяемые материалы CeO ₂ находят применение в области катализа. На поверхности церия в его наиболее стабильной флюоритовой фазе преобладают плоскости (111) с более низкой энергией, которые имеют тенденцию проявлять более низкую поверхностную энергию. Реакция, чаще всего катализируемая церием (IV), - это реакция конверсии водяного газа , включающая окисление монооксида углерода . Церий был исследован для катализа различных реакций конверсии углеводородов, включая метанирование CO ₂ и каталитическое окисление углеводородов, таких как толуол .

Функциональность поверхности CeO ₂ во многом обусловлена его внутренней гидрофобностью , характерной для оксидов редкоземельных элементов. Гидрофобность имеет тенденцию придавать устойчивость к дезактивации воды на поверхности катализаторов и, таким образом, усиливает адсорбцию органических соединений. Гидрофобность, которую, наоборот, можно рассматривать как органофильность, обычно связана с более высокими каталитическими характеристиками и желательна в применениях, связанных с органическими соединениями и селективным синтезом.

Взаимопревращаемость материалов CeO _x является основой использования оксида церия в качестве катализатора окисления. Одно небольшое, но показательное использование - его использование в стенках самоочищающихся печей в качестве катализатора окисления углеводородов во время процесса высокотемпературной очистки. Другой небольшой, но известный пример - его роль в окислении природного газа в газовых оболочках .

Светящийся белый плащ от газового фонаря Coleman . Раскаленный элемент состоит в основном из ThO _2, легированного CeO ₂ , нагретого путем катализируемого Ce окисления природного газа воздухом.

Основываясь на своем отличном взаимодействии с поверхностью, оксид церия находит дальнейшее применение в качестве датчика в каталитических нейтрализаторах в автомобильной промышленности, контролируя соотношение воздуха и выхлопных газов для снижения выбросов NO _x и оксида углерода .

Дальнейшие приложения

Полировка

Основное промышленное применение оксида церия - полировка, особенно химико-механическая планаризация (CMP). Для этой цели он вытеснил многие другие оксиды, которые использовались ранее, такие как оксид железа и диоксид циркония . Для любителей это также известно как «румяна для оптиков».

Оптика

CeO ₂ используется для обесцвечивания стекла путем преобразования зеленоватых примесей железа в почти бесцветные оксиды железа.

Оксид церия нашел применение в инфракрасных фильтрах , в качестве окислителя в каталитических нейтрализаторах и в качестве замены диоксида тория в раскаленных оболочках.

Смешанная проводимость

Из-за значительной ионной и электронной проводимости оксида церия он хорошо подходит для использования в качестве смешанного проводника , что имеет большое значение для исследований и разработок топливных элементов .

Биомедицинские приложения

Наночастицы оксида церия (nanoceria) были исследованы на предмет их антибактериальной и антиоксидантной активности.

Сварка

Оксид церия используется в качестве добавки к вольфрамовым электродам для дуговой сварки газом вольфрамом. Он обеспечивает преимущества по сравнению с электродами из чистого вольфрама, такие как снижение расхода электрода, более легкий запуск дуги и стабильность. Электроды из церия были впервые представлены на рынке США в 1987 году и используются для изготовления положительных электродов переменного тока, постоянного тока и отрицательных электродов постоянного тока. Более подробную информацию об этих электродах можно найти в ASME BPVC.II.C SFA-5.12, приложение B.

Исследовать

Фотокатализ

Хотя он прозрачен для видимого света, он сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, поэтому он является перспективной заменой оксида цинка и диоксида титана в солнцезащитных кремах , поскольку он имеет более низкую фотокаталитическую активность. Однако его термокаталитические свойства должны быть уменьшены путем покрытия частиц аморфным кремнеземом или нитридом бора .

Топливные элементы

Церий представляет интерес как материал для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) из-за его относительно высокой ионной проводимости кислорода (то есть атомы кислорода легко проходят через него) при промежуточных температурах (500–650 ° C) и более низкой энтальпии ассоциации по сравнению с системой диоксида циркония. .

Расщепление воды

Цикл оксид церия (IV) – оксид церия (III) или цикл CeO ₂ / Ce ₂ O ₃ представляет собой двухстадийный процесс термохимического расщепления воды на основе оксида церия (IV) и оксида церия (III) для производства водорода .

Антиоксидант

Nanoceria привлекла внимание как биологический антиоксидант.

Languages

In other projects