Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Церии )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для другого соединения, также известного как оксид церия, см. Оксид церия (III) .
Оксид церия (IV)
Оксид церия (IV)
Ceria-3D-ionic.png
Имена
Название ИЮПАК
Оксид церия (IV)
Другие имена
Оксид
церия,
церий, диоксид церия
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.013.774 Отредактируйте это в Викиданных
UNII
  • InChI = 1S / Ce.2O / q + 4; 2 * -2 проверитьY
    Ключ: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N проверитьY
  • InChI = 1 / Ce.2O / q + 4; 2 * -2
    Ключ: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYAX
  • [O-2] = [Ce + 4] = [O-2]
Характеристики
CeO 2
Молярная масса172,115 г / моль
Внешностьбелое или бледно-желтое твердое вещество,
слегка гигроскопично
Плотность7,215 г / см 3
Температура плавления 2400 ° С (4350 ° F, 2670 К)
Точка кипения 3500 ° С (6330 ° F, 3770 К)
нерастворимый
+ 26,0 · 10 −6 см 3 / моль
Структура
кубический ( флюорит ) [1]
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)
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).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
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 промежуточное соединение при очистке элемента от руд. Отличительным свойством этого материала является его обратимое превращение в нестехиометрический оксид . [2]

Производство [ править ]

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. [2]

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). [3]

Структура и поведение дефектов [ править ]

Оксид церия имеет структуру флюорита , пространственная группа Fm 3 m, # 225, содержащая 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. [4] Этот материал имеет формулу CeO (2− x ) , где 0 < x <0,28. [5] Величина x зависит как от температуры, поверхностной заделки, 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 температур (1000–1900 ° C). [6]

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. [7]

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

Химия дефектов [ править ]

В наиболее стабильной флюоритной фазе оксида церия он обнаруживает несколько дефектов в зависимости от парциального давления кислорода или напряженного состояния материала. [8] [9] [10] [11]

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 рабочие 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. [12]

Естественное явление [ править ]

Оксид церия (IV) встречается в природе как минерал церианит (Ce) . [13] [14] 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. [15] Это часто встречается в названиях минералов, содержащих редкоземельные элементы (РЗЭ). Появление церианита (Ce) связано с некоторыми примерами цериевой аномалии , когда Ce, который легко окисляется, отделяется от других РЗЭ, которые остаются трехвалентными и, таким образом, соответствуют структурам других минералов, кроме церианита (Ce). [16][13] [14]

Катализ и поверхностная активность [ править ]

Основное применение применяемых материалов CeO 2 находится 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), представляет собой реакцию конверсии водяного газа , включающую окисление монооксида углерода . Церий был исследован для катализа различных реакций конверсии углеводородов, включая метанирование CO 2 и каталитическое окисление углеводородов, таких как толуол . [17] [18]

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. [19]

Взаимопревращаемость материалов CeO x является основой использования оксида церия в качестве катализатора окисления. Одно небольшое, но показательное применение - 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 . [20]

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 . [21]

Дальнейшие приложения [ править ]

Полировка [ править ]

Основное промышленное применение оксида церия - полировка, особенно химико-механическая планаризация (CMP). [2] 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». [22] [23]

Оптика [ править ]

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

Оксид церия нашел применение в инфракрасных фильтрах , в качестве окислителя в каталитических нейтрализаторах и в качестве замены диоксида тория в раскаленных оболочках [24].

Смешанная проводимость [ править ]

Из - за значительной ионной и электронной проводимости оксида церия, он хорошо подходит для использования в качестве смешанного проводника , [25] с существенным значением в топливных элементах исследований и разработок.

Биомедицинские приложения [ править ]

Наночастицы оксида церия (nanoceria) были исследованы на предмет их антибактериальной и антиоксидантной активности. [26]

Исследование [ править ]

Фотокатализ [ править ]

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. [27] Однако его термокаталитические свойства должны быть уменьшены путем покрытия частиц аморфным кремнеземом или нитридом бора . [ необходима цитата ]

Топливные элементы [ править ]

Церий представляет интерес как материал для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) из-за его относительно высокой ионной проводимости кислорода (т.е. атомы кислорода легко проходят через него) при промежуточных температурах (500–650 ° C) и более низкой энтальпии ассоциации по сравнению с системой диоксида циркония . [28]

Расщепление воды [ править ]

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 . [29]

Антиоксидант [ править ]

Nanoceria привлекла внимание как биологический антиоксидант. [30] [31]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Прадёт Патнаик. Справочник неорганических химикатов . Макгроу-Хилл, 2002, ISBN  0-07-049439-8
  2. ^ а б в г Клаус Рейнхардт и Хервиг Винклер (2000). «Мишметалл церия, сплавы церия и соединения церия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a06_139 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка ).
  3. ^ "Стандартные термодинамические свойства химических веществ" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 29 октября 2013 года.
  4. ^ Исследование DFT поверхностей оксида церия Прикладная наука о поверхности 2019 том 478
  5. ^ Дефекты и дефектные процессы в неметаллических твердых телах Уильям Хейс, AM Stoneham Courier Dover Publications, 2004.
  6. ^ Bulfin, B .; Лоу, Эй-Джей; Keogh, KA; Мерфи, BE; Lübben, O .; Красников С.А.; Швец, И.В. (2013). «Аналитическая модель окисления и восстановления CeO 2 ». Журнал физической химии C . 117 (46): 24129–24137. DOI : 10.1021 / jp406578z . hdl : 2262/76279 .
  7. ^ Ghillanyova, К .; Галусек, Д. (2011). «Глава 1: Керамические оксиды». В Риделе, Ральф; Чен, Ай-Ви (ред.). Керамика и технологии, материалы и свойства, т. 2 . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-3-527-31156-9.
  8. ^ Маннингс, C .; Бадвал, СПС; Фини, Д. (2014). «Спонтанное стресс-индуцированное окисление ионов Ce в оксиде церия, легированном Gd, при комнатной температуре». Ионика . 20 (8): 1117–1126. DOI : 10.1007 / s11581-014-1079-2 . S2CID 95469920 . 
  9. ^ Бадвал, СПС; Даниэль Фини; Фабио Чакки; Кристофер Маннингс; Джастин Кимптон; Джон Дреннан (2013). «Структурная и микроструктурная стабильность электролита церия - гадолиния при воздействии восстанавливающих сред высокотемпературных топливных элементов». J. Mater. Chem. . 1 (36): 10768–10782. DOI : 10.1039 / C3TA11752A .
  10. ^ Anandkumar, Mariappan; Бхаттачарья, Шасвата; Дешпанде, Атул Суреш (23.08.2019). «Низкотемпературный синтез и характеристика однофазных многокомпонентных золей наночастиц оксида флюорита» . RSC Advances . 9 (46): 26825–26830. DOI : 10.1039 / C9RA04636D . ISSN 2046-2069 . 
  11. Перейти ↑ Pinto, Felipe M (2019). «Кислородные дефекты и химия поверхности восстанавливаемых оксидов» . Границы в материалах . 6 : 260. Bibcode : 2019FrMat ... 6..260P . DOI : 10.3389 / fmats.2019.00260 . S2CID 204754299 . Проверено 19 октября 2020 года . 
  12. ^ Фронзи, Марко; Assadi, M. Hussein N .; Ханаор, Дориан А.Х. (2019). «Теоретическое понимание гидрофобности поверхностей с низким индексом CeO2». Прикладная наука о поверхности . 478 : 68–74. arXiv : 1902.02662 . Bibcode : 2019ApSS..478 ... 68F . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2019.01.208 . S2CID 118895100 . 
  13. ^ a b "Церианит- (Ce)" . www.mindat.org . Проверено 12 ноября 2020 .
  14. ^ a b «Список минералов» . www.ima-mineralogy.org . 2011-03-21 . Проверено 12 ноября 2020 .
  15. ^ Берк, Эрнст (2008). «Использование суффиксов в названиях минералов» (PDF) . Элементы . 4 (2): 96.
  16. ^ Пан, Юаньминь; Штауффер, Мел Р. (2000). «Аномалия церия и фракционирование Th / U в палеопочвах Flin Flon 1,85 млрд лет: ключ к изучению сопутствующих минералов, богатых РЗЭ и ураном, и их значение для реконструкции палеоатмосферы». Американский минералог . 85 (7): 898–911.
  17. ^ Ruosi Peng; и др. (2018). «Влияние размера наночастиц Pt на каталитическое окисление толуола над катализаторами Pt / CeO2». Прикладной катализ B: Окружающая среда . 220 .
  18. ^ Монтини, Тициано; Мелхионна, Микеле; Монай, Маттео; Форнасьеро, Паоло (2016). "Основы и каталитическое применение материалов на основе CeO 2 ". Химические обзоры . 116 (10): 5987–6041. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.5b00603 . PMID 27120134 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  19. ^ К Paier, Joachim; Пеншке, Кристофер; Зауэр, Иоахим (2013). «Кислородные дефекты и химия поверхности церия: квантово-химические исследования по сравнению с экспериментом». Химические обзоры . 113 (6): 3949–3985. DOI : 10.1021 / cr3004949 . PMID 23651311 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  20. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  21. ^ Твигг, Мартин В. (2011). «Каталитический контроль выбросов от автомобилей». Катализ сегодня . 163 : 33–41. DOI : 10.1016 / j.cattod.2010.12.044 .
  22. ^ Свойства обычных абразивов (Бостонский музей изящных искусств)
  23. ^ База данных материалов МИД.
  24. ^ «Диоксид церия» . ДаНа . Архивировано из оригинала на 2013-03-02.
  25. ^ "Смешанные проводники" . Институт Макса Планка для исследования твердого тела . Проверено 16 сентября 2016 года .
  26. ^ Rajeshkumar, S .; Наик, Пунам (2018). «Синтез и биомедицинские применения наночастиц оксида церия - обзор» . Отчеты по биотехнологии . 17 : 1–5. DOI : 10.1016 / j.btre.2017.11.008 . ISSN 2215-017X . PMC 5723353 . PMID 29234605 .   
  27. ^ Жолобак, Н.М.; Иванов, ВК; Щербаков А.Б .; Шапорев А.С. Полежаева, О.С.; Баранчиков, А.Е .; Спивак, Н.Я .; Третьяков, Ю.Д. (2011). «УФ-защита, фотокаталитическая активность и фотоцитотоксичность растворов коллоида церия». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 102 (1): 32–38. DOI : 10.1016 / j.jphotobiol.2010.09.002 . PMID 20926307 . 
  28. ^ Arachi, Y. (июнь 1999). «Электропроводность системы ZrO2 – Ln2O3 (Ln = лантаноиды)». Ионика твердого тела . 121 (1–4): 133–139. DOI : 10.1016 / S0167-2738 (98) 00540-2 .
  29. ^ "Производство водорода из циклов солнечного термохимического разделения воды" . SolarPACES . Архивировано из оригинального 30 августа 2009 года.
  30. ^ Каракоти, А.С.; Монтейро-Ривьер, штат Северная Каролина; Aggarwal, R .; Дэвис, JP; Нараян, Р.Дж.; Self, WT; McGinnis, J .; Сил, С. (2008). «Наноцерия как антиоксидант: синтез и биомедицинские применения» . JOM . 60 (3): 33–37. Bibcode : 2008JOM .... 60c..33K . DOI : 10.1007 / s11837-008-0029-8 . PMC 2898180 . PMID 20617106 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  31. ^ Хуссейн S, Al-Нсуры Ж, Райс А.Б., Marshburn Дж, Йинглинг В, Джи Z, цинковый СО, штат Нью - Джерси Уокера, Garantziotis S (2012). «Наночастицы диоксида церия вызывают апоптоз и аутофагию в моноцитах периферической крови человека» . САУ Нано . 6 (7): 5820–9. DOI : 10.1021 / nn302235u . PMC 4582414 . PMID 22717232 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Веб-элементы в Университете Шеффилда
  • Синтез и свойства церия (на английском и русском языках)