Церий диоксиді (CeO2): сипаттамасы, қасиеттері, қолданылуы. Сирек кездесетін металл церийдің маңызды қосылысы – химиялық формуласы, өндірісі туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
басқа қосылыс, сондай-ақ церий оксиді деп белгілі
the other compound also known as cerium oxide
Церий(IV) оксиді, сонымен қатар церий диоксиді, церия, церий оксиді немесе церий диоксиді деп те аталады, – сирек кездесетін жер металлы церийдің оксиді. Ол CeO2 химиялық формуласына ие, ақшыл сары түсті ұнтақ. Бұл маңызды коммерциялық өнім және элементті кендерден тазарту процесіндегі аралық зат. Бұл материалдың ерекше қасиеті – стехиометриялық емес оксидке қайтымды түрленуі.
Cerium(IV) oxide, also known as ceric oxide, ceric dioxide, ceria, cerium oxide or cerium dioxide, is an oxide of the rare earth metal cerium. It is a pale yellow white powder with the chemical formula CeO2. It is an important commercial product and an intermediate in the purification of the element from the ores. The distinctive property of this material is its reversible conversion to a non stoichiometric oxide.
Өндіріс
Церий табиғи түрде оксидтер түрінде кездеседі, әрқашан басқа сирек кездесетін элементтермен қоспа ретінде. Оның басты кендері – бастнаэзит және моназит. Металл иондарын сулы негізге шығарғаннан кейін, Ce қоспадан тотықтырғыш қосылып, pH деңгейі реттелу арқылы бөлінеді. Бұл қадам CeO2-нің төмен ерігіштігін және басқа сирек кездесетін элементтердің тотығуға қарсы тұру қабілетін пайдаланады. Церий(IV) оксиді церий оксалатын немесе церий гидроксидін қыздыру арқылы түзіледі. Церий сондай-ақ церий(III) оксидін де түзеді, ол тұрақсыз және церий(IV) оксидіне тотығады.
Cerium occurs naturally as oxides, always as a mixture with other rare earth elements. Its principal ores bastnaesite and monazite. After extraction of the metal ions into aqueous base, Ce is separated from that mixture by addition of an oxidant followed by adjustment of the pH. This step exploits the low solubility of CeO2 and the fact that other rare earth elements resist oxidation. Cerium(IV) oxide is formed by the calcination of cerium oxalate or cerium hydroxide. Cerium also forms cerium(III) oxide, , which is unstable and will oxidize to cerium(IV) oxide.
Құрылымы мен ақаулықтары
Церий оксиді флюорит құрылымын қабылдайды, кеңістіктік тобы Fm3m, #225, 8 координациялы Ce4+ және 4 координациялы O2− иондарынан тұрады. Жоғары температурада ол оттегін бөліп шығарып, флюорит торларын сақтайтын, стехиометриялық емес, аниондық кемшіліктері бар түрін құрайды. Бұл материалдың формуласы CeO(2−x), мұнда 0 < x < 0.28. x мәні температураға, беттік жағдайға және оттегінің ішінара қысымына байланысты. Төмендегі теңдеу
Cerium oxide adopts the fluorite structure, space group Fm3m, #225 containing 8 coordinate Ce4+ and 4 coordinate O2−. At high temperatures it releases oxygen to give a non stoichiometric, anion deficient form that retains the fluorite lattice. This material has the formula CeO(2−x), where 0 < x < 0.28. The value of x depends on both the temperature, surface termination and the oxygen partial pressure. The equation
оттегінің ішінара қысымының (103–10−4 Па) және температураның (1000–1900 °C) кең диапазонында тепе-теңдіктегі стехиометриялық емес x-ті болжауға мүмкіндік береді. Стехиометриялық емес түрі көк түстен қара түске дейін өзгереді және иондық және электрондық өткізгіштік қасиеттерін көрсетеді, мұнда температура 500 °C-тан жоғары болғанда иондық өткізгіштік басым болады. Оттегінің бос орындарының саны жиі рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия арқылы анықталады.
has been shown to predict the equilibrium non stoichiometry x over a wide range of oxygen partial pressures (103–10−4 Pa) and temperatures (1000–1900 °C). The non stoichiometric form has a blue to black color, and exhibits both ionic and electronic conduction with ionic being the most significant at temperatures > 500 °C. The number of oxygen vacancies is frequently measured by using X ray photoelectron spectroscopy to compare the ratio of to .
Кемшілік химиясы
Флюориттің ең тұрақты фазасында церий, оттегінің ішінара қысымына немесе материалдың кернеулі күйіне байланысты түрлі ақаулықтарды көрсетеді. Ең маңызды ақаулықтар – оттегі бос орындары және кішкентай полярондар (церий катиондарында локалданып орналасқан электрондар). Оттегі ақауларының концентрациясын арттыру, кристалдық торындағы оксид аниондарының диффузия жылдамдығын арттырады, бұл иондық өткізгіштіктің жоғарылауымен байқалады. Бұл факторлар церийдің қатты оксидті отын элементтеріндегі қатты электролит ретінде қолданылуында тиімділігін арттырады. Допингтелмеген және допингтелген церий, церий ионының тотығуы нәтижесінде кішкентай полярондардың пайда болуына байланысты, оттегінің төменгі ішінара қысымында жоғары электрондық өткізгіштікке ие. Церий кристалдарындағы оттегі атомдары жазықтықтарда орналасқандықтан, осы аниондардың диффузиясы жеңілдеу жүреді. Диффузия жылдамдығы ақаулықтардың концентрациясы артаған сайын жоғарылайды. Церий жазықтықтарындағы оттегі бос орындарының болуы, церийдің адсорбатталған молекулалармен өзара әрекеттесуінің энергетикалық сипаттамаларын және оның сусылдағыштығын анықтайды. Мұндай беттік өзара әрекеттесулерді бақылау, церийді катализдік қолдануда пайдаланудың кілті болып табылады.
In the most stable fluorite phase of ceria, it exhibits several defects depending on partial pressure of oxygen or stress state of the material. The primary defects of concern are oxygen vacancies and small polarons (electrons localized on cerium cations). Increasing the concentration of oxygen defects increases the diffusion rate of oxide anions in the lattice as reflected in an increase in ionic conductivity. These factors give ceria favorable performance in applications as a solid electrolyte in solid oxide fuel cells. Undoped and doped ceria also exhibit high electronic conductivity at low partial pressures of oxygen due to reduction of the cerium ion leading to the formation of small polarons. Since the oxygen atoms in a ceria crystal occur in planes, diffusion of these anions is facile. The diffusion rate increases as the defect concentration increases. The presence of oxygen vacancies at terminating ceria planes governs the energetics of ceria interactions with adsorbate molecules, and its wettability. Controlling such surface interactions is key to harnessing ceria in catalytic applications.
Табиғи пайда болуы
Церий(IV) оксиді табиғи түрде церианит (Ce) минералы түрінде кездеседі. Бұл төрт валентті церий минералының сирек кездесетін мысалы, басқа мысалдары – стетиндит (Ce) және дирнаэзит (La). " (Ce) " қосымшасы Левинсон модификаторы деп аталады және оның құрылымдағы белгілі бір орнында қай элемент басым екенін көрсету үшін қолданылады. Ол сирек жер элементтері (СЖЭ) бар минералдардың атауларында жиі кездеседі. Церианиттің (Ce) пайда болуы церий аномалиясының кейбір мысалдарымен байланысты, онда жеңіл окистенетін Ce басқа СЖЭ-ден бөлініп, үш валентті күйде қалады және осылайша церианиттен (Ce) басқа минералдардың құрылымына сәйкес келеді. CeO2-нің тағы бір маңызды қолданылуы – шыныны түссіздендіру. Ол жасыл түсті темір қоспаларын дерлік түссіз темір оксидтеріне айналдырады. CeOx материалдарының бір-біріне өту қабілеті церийді окистеу катализаторы ретінде пайдаланудың негізі болып табылады. Бір кішкентай, бірақ көрнекті мысал – оның жоғары температурада тазалау кезінде көмірсутектерді окистеу катализаторы ретінде өзін-өзі тазартатын пештердің қабырғаларында қолданылуы. Тағы бір шағын, бірақ белгілі мысал – газ шамдарындағы табиғи газды окистеудегі рөлі. Өзінің ерекше беттік өзара әрекеттесуіне сүйене отырып, церий автомобильдердегі катализаторларда сенсор ретінде қолданылады, NOx және көміртек моноксидінің шығарындыларын азайту үшін ауа-тотықпастар қатынасын бақылайды.
Cerium(IV) oxide occurs naturally as the mineral cerianite (Ce). It is a rare example of tetravalent cerium mineral, the other examples being stetindite (Ce) and dyrnaesite (La). The " (Ce)" suffix is known as Levinson modifier and is used to show which element dominates in a particular site in the structure. It is often found in names of minerals bearing rare earth elements (REEs). Occurrence of cerianite (Ce) is related to some examples of cerium anomaly, where Ce which is oxidized easily is separated from other REEs that remain trivalent and thus fit to structures of other minerals than cerianite (Ce). In its other main application, CeO2 is used to decolorize glass. It functions by converting green tinted ferrous impurities to nearly colorless ferric oxides. The interconvertibility of CeOx materials is the basis of the use of ceria for an oxidation catalyst. One small but illustrative use is its use in the walls of self cleaning ovens as a hydrocarbon oxidation catalyst during the high temperature cleaning process. Another small scale but famous example is its role in oxidation of natural gas in gas mantles. Building on its distinct surface interactions, ceria finds further use as a sensor in catalytic converters in automotive applications, controlling the air exhaust ratio to reduce NOx and carbon monoxide emissions.
Энергия және отын
Церий оксидінің маңызды иондық және электрондық өткізгіштігіне байланысты, ол аралас өткізгіш ретінде қолдануға өте ыңғайлы. Сондықтан, церий оксиді цирконий оксидімен салыстырғанда қатты оксидті отын ұяшықтары (SOFC) үшін үміткер материал болып табылады. Термохимиялық тұрғыдан алғанда, церий(IV) оксиді – церий(III) оксиді циклі немесе CeO2/Ce2O3 циклі – суды екі кезеңде бөлу процесі болып табылады және ол сутегі өндіру үшін қолданылады. Бұл цикл жүйелер арасындағы оттегінің бос орындарын пайдаланатындықтан, церий суда гидроксил (OH) топтарын қалыптастыруға мүмкіндік береді. Оттегі тотыққанда бұл гидроксил топтары босатылып, таза энергия көзін қамтамасыз етеді.
Due to the significant ionic and electronic conduction of cerium oxide, it is well suited to be used as a mixed conductor. As such, cerium oxide is a material of interest for solid oxide fuel cells (SOFCs) in comparison to zirconium oxide. Thermochemically, the cerium(IV) oxide–cerium(III) oxide cycle or CeO2/Ce2O3 cycle is a two step water splitting process that has been used for hydrogen production. Because it leverages the oxygen vacancies between systems, this allows ceria in water to form hydroxyl (OH) groups. The hydroxyl groups can then be released as oxygen oxidizes, thus providing a source of clean energy.
Дәнекерлеу
Церий оксиді газды вольфрам аркалық дәнекерлеуде вольфрам электродына қоспа ретінде қолданылады. Ол таза вольфрам электродына қарағанда электродтың тозуын азайту және арканы оңай қосу мен тұрақтандыру сияқты артықшылықтар береді. Церийлі электродтар алғаш рет 1987 жылы АҚШ нарығында пайда болды және айнымалы ток (AC), тұрақты ток (DC) электроды оң және тұрақты ток (DC) электроды теріс режимінде қолданылады.
Cerium oxide is used as an addition to tungsten electrodes for Gas Tungsten Arc Welding. It provides advantages over pure Tungsten electrodes such as reducing electrode consumption rate and easier arc starting & stability. Ceria electrodes were first introduced in the US market in 1987, and are useful in AC, DC Electrode Positive, and DC Electrode Negative.
Қауіпсіздік аспектілері
Церий оксиді нанобөлшектері (наноцерия) бактерияға қарсы және антиоксиданттық қасиеттері зерттелді. Наноцерия фотокаталитикалық активтілігі төмен болғандықтан, күннен қорғау кремдерінде мырыш оксиді мен титан диоксидіне перспективті жаңа балама болып табылады.
Cerium oxide nanoparticles (nanoceria) have been investigated for their antibacterial and antioxidant activity. Nanoceria is a prospective replacement of zinc oxide and titanium dioxide in sunscreens, as it has lower photocatalytic activity.