Оксид церия(IV)
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Оксид церия(IV) | |
| Другие имена оксид церия, жизнерадостный, диоксид церия | |
| Идентификаторы | |
| |
3D model ( JSmol ) | |
| ЧЭБИ | |
| ХимическийПаук | |
| Информационная карта ECHA | 100.013.774 |
ПабХим CID | |
| НЕКОТОРЫЙ |
|
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| СеО 2 | |
| Молярная масса | 172.115 g/mol |
| Появление | белое или бледно-желтое твердое вещество, слегка гигроскопичен |
| Плотность | 7,215 г/см 3 |
| Температура плавления | 2400 ° C (4350 ° F; 2670 К) |
| Точка кипения | 3500 ° C (6330 ° F; 3770 К) |
| нерастворимый | |
| +26.0·10 −6 см 3 /моль | |
| Структура | |
| кубическая кристаллическая система , cF12 ( флюорит ) [1] | |
| Фм 3 м, #225 | |
а = 5,41 Å [2] , b = 5,41 Å, c = 5,41 Å α = 90°, β = 90°, γ = 90° | |
| Какой, 8, кубический О, 4, тетраэдрический | |
| Опасности | |
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |
| Родственные соединения | |
Родственные соединения | Оксид церия(III) |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Оксид церия (IV) , также известный как оксид церия , диоксид церия , церий , оксид церия или диоксид церия , представляет собой оксид редкоземельного металла церия . Это бледно-желто-белый порошок химической формулы CeO 2 . Это важный коммерческий продукт и промежуточный продукт при очистке элемента из руд. Отличительным свойством этого материала является его обратимое превращение в нестехиометрический оксид .
Производство
[ редактировать ]В природе церий встречается в виде оксидов, всегда в смеси с другими редкоземельными элементами. Основные руды — бастнезит и монацит . После экстракции ионов металлов водным основанием Се 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 устойчивы к окислению. [3]
Оксид церия(IV) образуется при прокаливании или оксалата церия гидроксида церия .
Церий также образует оксид церия (III) , Ce
22О
3 , который нестабилен и окисляется до оксида церия(IV). [4]
Структура и поведение дефектов
[ редактировать ]Оксид церия принимает структуру флюорита , пространственная группа Fm 3 m, № 225, содержащая 8-координатный Ce. 4+ и 4-координатная O 2− . При высоких температурах он выделяет кислород, образуя нестехиометрическую форму с дефицитом анионов , сохраняющую решетку флюорита. [5] Этот материал имеет формулу CeO (2− x ) , где 0 < x <0,28. [6] Значение x зависит как от температуры, окончания поверхности, так и от парциального давления кислорода. Уравнение
Было показано, что можно предсказать равновесную нестехиометрию x в широком диапазоне парциальных давлений кислорода (10 3 –10 −4 Па) и температурах (1000–1900 °С). [7]
Нестехиометрическая форма имеет цвет от синего до черного и проявляет как ионную, так и электронную проводимость, при этом ионная проводимость наиболее значительна при температурах > 500 °C. [8]
Количество кислородных вакансий часто измеряется с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для сравнения соотношения Ce 3+
к чему 4+
.
Дефект химии
[ редактировать ]В наиболее стабильной флюоритовой фазе церия наблюдается ряд дефектов, зависящих от парциального давления кислорода или напряженного состояния материала. [9] [10] [11] [12]
Основными дефектами, вызывающими беспокойство, являются кислородные вакансии и малые поляроны (электроны, локализованные на катионах церия). Увеличение концентрации кислородных дефектов увеличивает скорость диффузии оксидных анионов в решетке, что отражается на увеличении ионной проводимости . Эти факторы обеспечивают церию благоприятные характеристики при использовании в качестве твердого электролита в твердооксидных топливных элементах . Нелегированный и легированный церий также проявляет 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 происходит легко. Скорость диффузии увеличивается с увеличением концентрации дефектов.
Наличие кислородных вакансий на концевых плоскостях церия определяет энергетику взаимодействий церия с молекулами адсорбата и его смачиваемость . Контроль таких поверхностных взаимодействий является ключом к использованию церия в каталитических приложениях. [13]
Естественное явление
[ редактировать ]Оксид церия(IV) встречается в природе в виде минерала церианита-(Ce) . [14] [15] 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 структуры. [16] Его часто можно встретить в названиях минералов, содержащих редкоземельные элементы (РЗЭ). Появление церианита-(Ce) связано с некоторыми примерами цериевой аномалии , когда Се, который легко окисляется, отделяется от других РЗЭ, которые остаются трехвалентными и, таким образом, соответствуют структурам других минералов, кроме церианита-(Ce). [17] [14] [15]
Приложения
[ редактировать ]Церий имеет два основных применения, которые перечислены ниже.
Основное промышленное применение церия - полировка, особенно химико-механическая планаризация (ХМП). [3] Для этой цели он заменил многие другие оксиды, которые использовались ранее, такие как оксид железа и циркония . Для любителей он также известен как «румяна для оптиков». [18] [19]
В другом своем основном применении CeO 2 используется для обесцвечивания стекла. Он действует путем преобразования примесей железа зеленого цвета в почти бесцветные оксиды железа. [3]
Другие нишевые и новые приложения
[ редактировать ]Катализ
[ редактировать ]CeO 2 привлек большое внимание в области гетерогенного катализа . Он катализирует реакцию конверсии вода-газ . Он окисляет окись углерода . Его восстановленное производное Ce 2 O 3 восстанавливает воду с выделением водорода. [20] [21] [22] [23]
Взаимная конвертируемость материалов CeO x лежит в основе использования церия в качестве катализатора окисления. Одним из небольших, но показательных применений является его использование в стенках самоочищающихся духовок в качестве катализатора окисления углеводородов во время процесса высокотемпературной очистки. Еще одним небольшим, но известным примером является его роль в окислении природного газа в газовых мантиях . [24]
Опираясь на свои особые поверхностные взаимодействия, церий находит дальнейшее применение в качестве датчика в каталитических нейтрализаторах в автомобильной промышленности, контролируя соотношение воздуха и выхлопных газов для снижения выбросов NO x и угарного газа . [25]
Энергия и топливо
[ редактировать ]Благодаря значительной ионной и электронной проводимости оксида церия он хорошо подходит для использования в качестве смешанного проводника . [26] Таким образом, оксид церия представляет интерес для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) по сравнению с оксидом циркония . [27]
С термохимической точки зрения цикл оксида церия (IV)-оксида церия (III) или цикл CeO 2 /Ce 2 O 3 представляет собой двухстадийный процесс расщепления воды , который использовался для производства водорода . [28] Поскольку он использует кислородные вакансии между системами, это позволяет церию в воде образовывать гидроксильные (ОН) группы. [29] Гидроксильные группы затем могут высвобождаться при окислении кислорода, обеспечивая тем самым источник чистой энергии.
Оптика
[ редактировать ]Оксид церия высоко ценится в оптической промышленности за его исключительные полирующие свойства. [30] Он эффективно удаляет мелкие царапины и дефекты со стеклянных поверхностей в результате механического истирания и химического взаимодействия, создавая гладкую глянцевую поверхность. [31] Оксид церия также может повысить долговечность оптических поверхностей, образуя защитный слой, который повышает устойчивость к царапинам и износу под воздействием окружающей среды. [32]
Оксид церия также нашел применение в инфракрасных фильтрах и в качестве замены диоксида тория в лампах накаливания. [33]
Сварка
[ редактировать ]Оксид церия используется в качестве добавки к вольфрамовым электродам при газовой вольфрамовой дуговой сварке. Он обеспечивает преимущества по сравнению с электродами из чистого вольфрама, такие как снижение скорости расхода электрода, а также более легкое зажигание и стабильность дуги. Электроды из церия были впервые представлены на рынке США в 1987 году и используются при переменном, положительном и отрицательном электродах постоянного тока.
Аспекты безопасности
[ редактировать ]Наночастицы оксида церия (наноцерия) были исследованы на предмет их антибактериальной и антиоксидантной активности. [34] [35] [36] [37]
Наноцерия является перспективной заменой оксида цинка и диоксида титана в солнцезащитных кремах , поскольку обладает более низкой фотокаталитической активностью. [38]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Прадьот Патнаик. Справочник неорганических химикатов . МакГроу-Хилл, 2002 г., ISBN 0-07-049439-8
- ^ EA Kümmerle и G. Heger, «Структуры C-Ce2O3+δ, Ce7O12 и Ce11O20», Журнал химии твердого тела, том. 147, нет. 2, стр. 485–500, 1999.
- ^ Перейти обратно: а б с Рейнхардт, Клаус; Винклер, Хервиг (2000). «Церий Мишметалл, сплавы церия и соединения церия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a06_139 . ISBN 978-3527306732 . .
- ^ «Стандартные термодинамические свойства химических веществ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 октября 2013 г.
- ^ Исследование DFT поверхностей оксида церия. Прикладная наука о поверхности, 2019, том 478.
- ^ Дефекты и дефектные процессы в неметаллических твердых телах. Уильям Хейс, AM Stoneham Courier Dover Publications, 2004.
- ^ Булфин, Б.; Лоу, Эй Джей; Кио, Калифорния; Мерфи, Британская Колумбия; Люббен, О.; Красников С.А.; Швец, ИВ (2013). «Аналитическая модель окисления и восстановления CeO 2 ». Журнал физической химии C. 117 (46): 24129–24137. дои : 10.1021/jp406578z . hdl : 2262/76279 .
- ^ Гилланова, К.; Галусек, Д. (2011). «Глава 1: Керамические оксиды». В Риделе, Ральф; Чен, И-Ви (ред.). Керамическая наука и технология, Материалы и свойства, том 2 . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-3-527-31156-9 .
- ^ Маннингс, К.; Бадвал, СПС; Фини, Д. (2014). «Спонтанное окисление ионов Ce в церии, легированном Gd, при комнатной температуре». Ионика . 20 (8): 1117–1126. дои : 10.1007/s11581-014-1079-2 . S2CID 95469920 .
- ^ Бадвал, СПС; Дэниел Фини; Фабио Чакки; Кристофер Маннингс; Джастин Кимптон; Джон Дреннан (2013). «Структурная и микроструктурная стабильность церий-гадолиниевого электролита при воздействии восстановительных сред высокотемпературных топливных элементов». Дж. Матер. хим. А. 1 (36): 10768–10782. дои : 10.1039/C3TA11752A .
- ^ Анандкумар, Мариаппан; Бхаттачарья, Сасвата; Дешпанде, Атул Суреш (23 августа 2019 г.). «Низкотемпературный синтез и характеристика однофазных многокомпонентных золей наночастиц оксида флюорита» . РСК Прогресс . 9 (46): 26825–26830. Бибкод : 2019RSCAd...926825A . дои : 10.1039/C9RA04636D . ISSN 2046-2069 . ПМК 9070433 . ПМИД 35528557 .
- ^ Пинто, Фелипе М (2019). «Кислородные дефекты и химия поверхности восстанавливаемых оксидов» . Границы в материалах . 6 : 260. Бибкод : 2019FrMat...6..260P . дои : 10.3389/fmats.2019.00260 . S2CID 204754299 .
- ^ Фронзи, Марко; Ассади, М. Хусейн Н.; Ханаор, Дориан А.Х. (2019). «Теоретическое понимание гидрофобности поверхностей CeO2 с низким индексом» (PDF) . Прикладная наука о поверхности . 478 : 68–74. arXiv : 1902.02662 . Бибкод : 2019ApSS..478...68F . дои : 10.1016/j.apsusc.2019.01.208 . S2CID 118895100 .
- ^ Перейти обратно: а б «Церианит-(Це)» . www.mindat.org . Проверено 12 ноября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Список минералов» . www.ima-mineralogy.org . 21 марта 2011 г. Проверено 12 ноября 2020 г.
- ^ Берк, Эрнст (2008). «Использование суффиксов в названиях минералов» (PDF) . Элементы . 4 (2): 96.
- ^ Пан, Юаньмин; Стауффер, Мел Р. (2000). «Аномалия церия и фракционирование Th/U в палеопочве Flin Flon возрастом 1,85 млрд лет: данные по акцессорным минералам, богатым РЗЭ и U, и значение для реконструкции палеоатмосферы». Американский минералог . 85 (7): 898–911. Бибкод : 2000AmMin..85..898P . дои : 10.2138/am-2000-0703 . S2CID 41920305 .
- ^ «Свойства обычных абразивов (Бостонский музей изящных искусств)» (PDF) .
- ^ «Оксид церия – КАМЕЯ» . www.cameo.mfa.org .
- ^ Руози Пэн; и др. (2018). «Влияние размера наночастиц Pt на каталитическое окисление толуола на катализаторах Pt/CeO2». Прикладной катализ Б: Экология . 220 .
- ^ Монтини, Тициано; Мельчионна, Мишель; Монаи, Маттео; Форнасьеро, Паоло (2016). «Основы и каталитические применения материалов на основе CeO 2 ». Химические обзоры . 116 (10): 5987–6041. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00603 . hdl : 11368/2890051 . ПМИД 27120134 .
- ^ Пайер, Иоахим; Пеншке, Кристофер; Зауэр, Иоахим (2013). «Кислородные дефекты и химия поверхности церия: квантово-химические исследования по сравнению с экспериментом». Химические обзоры . 113 (6): 3949–3985. дои : 10.1021/cr3004949 . ПМИД 23651311 .
- ^ Горте, Раймонд Дж. (2010). «Церий в катализе: от автомобильного применения до реакции конверсии водяного газа». Журнал Айше : Н.А. дои : 10.1002/aic.12234 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Твигг, Мартин В. (2011). «Каталитический контроль выбросов автомобилей». Катализ сегодня . 163 : 33–41. дои : 10.1016/j.cattod.2010.12.044 .
- ^ «Смешанные проводники» . Институт Макса Планка по исследованию твердого тела . Проверено 16 сентября 2016 г.
- ^ Арачи, Ю. (июнь 1999 г.). «Электропроводность системы ZrO2–Ln2O3 (Ln=лантаниды)». Ионика твердого тела . 121 (1–4): 133–139. дои : 10.1016/S0167-2738(98)00540-2 .
- ^ «Производство водорода из солнечных термохимических циклов расщепления воды» . СоларПАСЕС . Архивировано из оригинала 30 августа 2009 года.
- ^ «Новые открытия о роли оксида церия в производстве водорода» . Церик . 01.07.2018 . Проверено 22 сентября 2022 г.
- ^ «Оксид церия в удалении царапин с экранов телефонов» . Стэнфордские продвинутые материалы . Проверено 1 июля 2024 г.
- ^ Янош, Павел; Эдерер, Якуб (2016). «Химико-механическая полировка стекла оксидом церия: влияние отдельных физико-химических характеристик на эффективность полировки». Носить . 362–363: 114–120. дои : 10.1016/j.wear.2016.05.020 .
- ^ Хоккей, ЛЮ; Рой, Райс, ред. (1979). Наука об обработке керамики и отделке поверхности II: Материалы симпозиума, проведенного в Национальном бюро стандартов, Гейтерсбург, Мэриленд, 13-15 ноября 1978 г. Библиотека Мичиганского университета. п. 425. АСИН B0030T20RY .
- ^ «Диоксид церия» . ДаНа . Архивировано из оригинала 02 марта 2013 г.
- ^ Раджешкумар, С.; Наик, Пунам (2018). «Синтез и биомедицинское применение наночастиц оксида церия – обзор» . Отчеты о биотехнологиях . 17 : 1–5. дои : 10.1016/j.btre.2017.11.008 . ISSN 2215-017X . ПМЦ 5723353 . ПМИД 29234605 .
- ^ Каракоти, А.С.; Монтейро-Ривьер, Северная Каролина; Аггарвал, Р.; Дэвис, JP; Нараян, Р.Дж.; Селф, WT; Макгиннис, Дж.; Сил, С. (2008). «Наноцерия как антиоксидант: синтез и биомедицинское применение» . ДЖОМ . 60 (3): 33–37. Бибкод : 2008JOM....60c..33K . дои : 10.1007/s11837-008-0029-8 . ПМК 2898180 . ПМИД 20617106 .
- ^ Раджешкумар, С.; Наик, Пунам (29 ноября 2017 г.). «Синтез и биомедицинское применение наночастиц оксида церия – обзор» . Отчеты о биотехнологиях . 17 : 1–5. дои : 10.1016/j.btre.2017.11.008 . ISSN 2215-017X . ПМЦ 5723353 . ПМИД 29234605 .
- ^ Хусейн С., Аль-Нсур Ф., Райс А.Б., Маршберн Дж., Йинглинг Б., Джи З., Цинк Дж.И., Уокер Н.Дж., Гарантзиотис С. (2012). «Наночастицы диоксида церия вызывают апоптоз и аутофагию в моноцитах периферической крови человека» . АСУ Нано . 6 (7): 5820–9. дои : 10.1021/nn302235u . ПМЦ 4582414 . ПМИД 22717232 .
- ^ Жолобак, Нью-Мексико; Иванов В.К.; Щербаков А.Б.; Шапорев А.С.; Полежаева, О.С.; Баранчиков А.Е.; Спивак, Н.Я.; Третьяков, Ю.Д. (2011). «Свойство защиты от ультрафиолета, фотокаталитическая активность и фотоцитотоксичность коллоидных растворов церия». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 102 (1): 32–38. doi : 10.1016/j.jphotobiol.2010.09.002 . ПМИД 20926307 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]