Tlenek ceru(IV) - Cerium(IV) oxide

Tlenek ceru(IV)
Nazwy
	Nazwa IUPAC Tlenek ceru(IV)
	Inne nazwy Tlenek ceru, ; Ceria, ; Dwutlenek ceru
Identyfikatory
Numer CAS
Model 3D ( JSmol )
CZEBI
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA	100.013.774
Identyfikator klienta PubChem
UNII
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )
	InChI InChI=1S/Ce.2O/q+4;2-2 Klucz: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N ; InChI=1/Ce.2O/q+4;2-2 Klucz: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYAX ;
	UŚMIECH [O-2]=[Ce+4]=[O-2];
Nieruchomości
Wzór chemiczny	CeO 2
Masa cząsteczkowa	172,115 g/mol
Wygląd zewnętrzny	białe lub jasnożółte ciało stałe, ; lekko higroskopijne
Gęstość	7,215 g / cm 3
Temperatura topnienia	2400 ° C (4350 ° F; 2670 K)
Temperatura wrzenia	3500 ° C (6330 ° F; 3770 K)
Rozpuszczalność w wodzie	nierozpuszczalny
Podatność magnetyczna (χ)	+ 26,0 x 10 -6 cm 3 / mol
Struktura
Struktura krystaliczna	układ kryształów sześciennych , CF12 ( fluoryt )
Grupa kosmiczna	Fm 3 m, #225
Stała sieciowa	a = 5,41 Å , b = 5,41 Å, c = 5,41 Å α = 90°, β = 90°, γ = 90°
Geometria koordynacji	Ce, 8, sześcienny ; O, 4, czworościenny
Zagrożenia
NFPA 704 (ognisty diament)	1 0 0
Związki pokrewne
Związki pokrewne	Tlenek ceru(III)
	O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
	zweryfikuj ( co to jest ?)
	Referencje do infoboksu

Ceru (IV) , znany również jako ceru tlenku , ceru dwutlenek , tlenek ceru , tlenek ceru i dwutlenku ceru , to tlenek o metali ziem rzadkich ceru . Jest to bladożółto-biały proszek o wzorze chemicznym CeO ₂ . Jest to ważny produkt handlowy i półprodukt w oczyszczaniu pierwiastka z rud. Charakterystyczną właściwością tego materiału jest jego odwracalna konwersja do niestechiometrycznego tlenku .

Produkcja

Ceru występuje naturalnie w mieszaninie z innymi pierwiastkami ziem rzadkich w jego głównych rud bastnazyt i monacytu . Po ekstrakcji jonów metali do wodnej zasady Ce oddziela się od tej mieszaniny przez dodanie utleniacza, a następnie dostosowanie pH. Etap ten wykorzystuje małą rozpuszczalność CeC ₂ oraz, że inne pierwiastki ziem rzadkich, odporność na utlenianie.

Ceru (IV) tworzy się przez kalcynowanie w szczawian ceru lub wodorotlenku ceru .

Cer tworzy również tlenek ceru (III) , Ce
₂O
₃, który jest niestabilny i utlenia się do tlenku ceru(IV).

Struktura i zachowanie wady

Tlenek ceru przyjmuje strukturę fluorytu , grupa przestrzenna Fm 3 m, #225 zawierająca 8-współrzędne Ce ⁴⁺ i 4-współrzędne O ²⁻ . W wysokich temperaturach uwalnia tlen, dając niestechiometryczną, pozbawioną anionów formę, która zachowuje sieć fluorytową. Materiał ten ma wzór CeO _{(2− x )} , gdzie 0 < x < 0,28. Wartość x zależy zarówno od temperatury, zakończenia powierzchni, jak i ciśnienia parcjalnego tlenu. Równanie

{\ Displaystyle {\ Frac {x} {0,35 x}} = \ lewo ({\ Frac {106 \ 000 {\ tekst {Pa}}} {P_ {\ operatorname {O} _ {2}}}} \right)^{0.217}\exp \left({\frac {-195.6{\text{ kJ/mol}}}{RT}}\right)}

Wykazano, że pozwala przewidzieć równowagę niestechiometryczną x w szerokim zakresie ciśnień parcjalnych tlenu (10 ³ -10 ^-4 Pa) i temperatur (1000–1900 °C).

Forma niestechiometryczna ma kolor od niebieskiego do czarnego i wykazuje zarówno przewodnictwo jonowe, jak i elektronowe, przy czym jon jest najbardziej znaczący w temperaturach > 500 °C.

Liczba wolnych miejsc tlenowych jest często mierzona za pomocą spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich w celu porównania stosunku Ce³⁺
do Ce⁴⁺
.

Wada chemia

W najbardziej stabilnej fazie fluorytowej ceru wykazuje szereg defektów w zależności od ciśnienia cząstkowego tlenu lub stanu naprężenia materiału.

Podstawowymi wadami budzącymi obawy są wakanty tlenowe i małe polarony (elektrony zlokalizowane na kationach ceru). Zwiększenie stężenia defektów tlenowych zwiększa szybkość dyfuzji anionów tlenkowych w sieci, co znajduje odzwierciedlenie we wzroście przewodnictwa jonowego . Czynniki te zapewniają korzystną wydajność cerii w zastosowaniach jako elektrolit stały w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem . Cery niedomieszkowane i domieszkowane wykazują również wysoką przewodność elektronową przy niskich ciśnieniach cząstkowych tlenu z powodu redukcji jonów ceru, co prowadzi do powstawania małych polaronów . Ponieważ atomy tlenu w krysztale ceru występują w płaszczyźnie, dyfuzja tych anionów jest łatwa. Szybkość dyfuzji wzrasta wraz ze wzrostem koncentracji defektów.

Obecność wakancji tlenowych na końcowych płaszczyznach cerowych reguluje energetykę oddziaływań ceru z cząsteczkami adsorbatu oraz jego zwilżalność . Kontrolowanie takich interakcji powierzchniowych jest kluczem do wykorzystania ceru w zastosowaniach katalitycznych.

Naturalne występowanie

Tlenek ceru(IV) występuje naturalnie jako minerał cerianit-(Ce) . Jest to rzadki przykład czterowartościowego minerału ceru, inne przykłady to stetindite-(Ce) i dyrnaesite-(La) . Przyrostek „-(Ce)” jest znany jako modyfikator Levinsona i służy do pokazania, który element dominuje w określonym miejscu w strukturze. Często występuje w nazwach minerałów zawierających pierwiastki ziem rzadkich (REE). Występowanie cerianitu-(Ce) jest związane z niektórymi przykładami anomalii ceru , gdzie Ce - łatwo utleniające się - jest oddzielone od innych REE, które pozostają trójwartościowe i dzięki temu pasują do struktur innych minerałów niż cerianit-(Ce).

Kataliza i aktywność powierzchniowa

Podstawowym pojawiającym się zastosowaniem stosowanych materiałów CeO ₂ jest kataliza. Powierzchnie ceru, w jego najbardziej stabilnej fazie fluorytowej, są zdominowane przez płaszczyzny o niższej energii (111), które wykazują tendencję do wykazywania niższej energii powierzchniowej. Reakcja najczęściej katalizowana przez cer(IV) to reakcja konwersji gazu wodnego , obejmująca utlenianie tlenku węgla . Tlenek ceru został zbadany w kierunku katalizy różnych reakcji konwersji węglowodorów oraz CO ₂ metanizacji i katalitycznego utleniania węglowodorów, takich jak toluen .

Funkcjonalność powierzchni CeO ₂ wynika w dużej mierze z jego wewnętrznej hydrofobowości , która jest cechą powszechną wśród tlenków ziem rzadkich. Hydrofobowość ma tendencję do nadawania odporności na dezaktywację wody na powierzchniach katalizatorów, a tym samym zwiększa adsorpcję związków organicznych. Hydrofobowość, którą można odwrotnie postrzegać jako organofilowość, jest ogólnie związana z wyższą wydajnością katalityczną i jest pożądana w zastosowaniach obejmujących związki organiczne i selektywną syntezę.

Interconvertibility CEO _x materiałów jest podstawą stosowania tlenku ceru na katalizatorze utleniania. Jednym małym, ale ilustracyjnym zastosowaniem jest zastosowanie go w ściankach pieców samoczyszczących jako katalizatora utleniania węglowodorów podczas procesu czyszczenia w wysokiej temperaturze. Innym znanym przykładem na małą skalę jest jego rola w utlenianiu gazu ziemnego w płaszczach gazowych .

Świecące Coleman biały gaz latarnia płaszcza. Elementem żarzącym jest głównie ThO ₂ domieszkowany CeO ₂ , ogrzewany przez katalizowane przez Ce utlenianie gazu ziemnego powietrzem.

Opierając się na swoich wyraźnych interakcjach powierzchniowych, ceria znajduje dalsze zastosowanie jako czujnik w katalizatorach w zastosowaniach motoryzacyjnych, kontrolując stosunek wydechu powietrza w celu zmniejszenia emisji NO _x i tlenku węgla .

Dalsze aplikacje

Polerowanie

Głównym zastosowaniem przemysłowym ceru jest polerowanie, zwłaszcza planaryzacja chemiczno-mechaniczna (CMP). W tym celu wyparła wiele innych wcześniej stosowanych tlenków, takich jak tlenek żelaza i tlenek cyrkonu . Dla hobbystów jest również określany jako „rouge optyków”.

Optyka

CeO ₂ służy do odbarwiania szkła poprzez przekształcenie zabarwionych na zielono zanieczyszczeń żelaznych w prawie bezbarwne tlenki żelazowe.

Tlenek ceru znalazł zastosowanie w filtrach podczerwieni , jako utleniacz w katalizatorach i jako zamiennik dwutlenku toru w żarowych płaszczach .

Przewodnictwo mieszane

Ze względu na znaczny jonowym i elektronicznym przewodzenia tlenku ceru, dobrze nadaje się do stosowania jako mieszaną dyrygenta , o znacznej wartości w ogniwach paliwowych badań i rozwoju.

Zastosowania biomedyczne

Nanocząstki tlenku ceru (nanoceria) zostały zbadane pod kątem ich działania przeciwbakteryjnego i przeciwutleniającego.

Spawalniczy

Tlenek ceru jest stosowany jako dodatek do elektrod wolframowych do spawania łukiem gazowo-wolframowym. Zapewnia korzyści w porównaniu z czystymi elektrodami wolframowymi, takie jak zmniejszenie zużycia elektrody oraz łatwiejszy rozruch i stabilność łuku. Elektrody Ceria zostały po raz pierwszy wprowadzone na rynek amerykański w 1987 roku i są przydatne w przypadku prądu przemiennego, prądu stałego dodatniego i ujemnego elektrody prądu stałego. Więcej szczegółów na temat tych elektrod można znaleźć w ASME BPVC.II.C SFA-5.12 Załącznik B.

Badania

Fotokataliza

Chociaż jest przezroczysta dla światła widzialnego, silnie pochłania promieniowanie ultrafioletowe , więc jest potencjalnym zamiennikiem tlenku cynku i dwutlenku tytanu w filtrach przeciwsłonecznych , ponieważ ma niższą aktywność fotokatalityczną . Jednak jego termiczne właściwości katalityczne muszą zostać zmniejszone przez powlekanie cząstek bezpostaciową krzemionką lub azotkiem boru .

Ogniwa paliwowe

Ceria jest przedmiotem zainteresowania jako materiał do ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC) ze względu na jego stosunkowo wysoką przewodność jonów tlenu (tj. atomy tlenu łatwo przez niego przechodzą) w temperaturach pośrednich (500–650 °C) i niższą entalpię asocjacji w porównaniu z układem cyrkonowym .

Rozdzielanie wody

Cykl tlenek ceru(IV)–tlenek ceru(III) lub CeO ₂ /Ce ₂ O ₃ to dwuetapowy termochemiczny proces rozszczepiania wody oparty na tlenku ceru(IV) i tlenku ceru(III) do produkcji wodoru .

Languages

In other projects