Oxid ceričitý - Cerium(IV) oxide

O další sloučenině známé také jako oxid ceričitý viz Oxid ceričitý.
Oxid ceričitý
Oxid ceričitý
Ceria-3D-ionic.png
Jména
Název IUPAC
Oxid ceričitý
Ostatní jména
Oxid ceričitý,
Ceria,
Oxid ceričitý
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChEBI
ChemSpider
Informační karta ECHA100.013.774 Upravte to na Wikidata
UNII
Vlastnosti
Výkonný ředitel2
Molární hmotnost172,115 g / mol
Vzhledbílá nebo světle žlutá pevná látka,
mírně hygroskopický
Hustota7,215 g / cm3
Bod tání 2400 ° C (4350 ° F; 2670 K)
Bod varu 3500 ° C (6330 ° F; 3770 K)
nerozpustný
+26.0·10−6 cm3/ mol
Struktura
kubický (fluorit )[1]
Nebezpečí
NFPA 704 (ohnivý diamant)
Související sloučeniny
Související sloučeniny
Oxid ceričitý
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Oxid ceričitý, také známý jako oxid ceričitý, oxid ceričitý, ceria, oxid ceričitý nebo oxid ceričitý, je kysličník z kov vzácných zemin cer. Je to světle žlutobílý prášek s chemickým vzorcem CeO2. Je to důležitý komerční produkt a meziprodukt při čištění prvku z rud. Charakteristickou vlastností tohoto materiálu je jeho reverzibilní přeměna na a nestechiometrický oxid.[2]

Výroba

Cer se přirozeně vyskytuje jako směs s dalšími prvky vzácných zemin v jeho hlavních rudách bastnaesite a monazit. Po extrakci kovových iontů do vodné báze se Ce oddělí od této směsi přidáním oxidačního činidla s následnou úpravou pH. Tento krok využívá nízké rozpustnosti CeO2 a skutečnost, že ostatní prvky vzácných zemin odolávají oxidaci.[2]

Oxid ceričitý je tvořen kalcinace z oxalát ceru nebo hydroxid ceru.

Cer se také tvoří oxid ceričitý, Ce
2Ó
3, který je nestabilní a bude oxidovat na oxid ceričitý.[3]

Struktura a vady chování

Oxid ceru přijímá fluoritová struktura, vesmírná skupina Fm3m, # 225 obsahující 8 souřadnic Ce4+ a 4 souřadnice O2−. Při vysokých teplotách uvolňuje kyslík za vzniku a nestechiometrická forma s nedostatkem aniontů který udrží fluoritovou mřížku.[4] Tento materiál má vzorec CeO(2−X), kde 0 < X < 0.28.[5] Hodnota X závisí na teplotě, ukončení povrchu a parciálním tlaku kyslíku. Rovnice

Bylo prokázáno, že předpovídá rovnovážnou nestechiometrii X v širokém rozsahu parciálních tlaků kyslíku (103–10−4 Pa) a teploty (1000–1900 ° C).[6]

Nestechiometrická forma má modrou až černou barvu a vykazuje iontové i elektronické vedení, přičemž iontový je nejvýznamnější při teplotách> 500 ° C.[7]

Počet volných míst kyslíku se často měří pomocí Rentgenová fotoelektronová spektroskopie porovnat poměr Ce3+
na Ce4+
.

Chemie vad

Nejstabilnější fluorit fáze ceria, vykazuje několik defektů v závislosti na parciálním tlaku kyslíku nebo napěťovém stavu materiálu.[8][9][10][11]

Primárními vadami jsou volná kyslíková volná místa a malé polarony (elektrony lokalizované na kationtech ceru). Zvýšení koncentrace defektů kyslíku zvyšuje rychlost difúze oxidových aniontů v mřížce, což se projevuje zvýšením iontová vodivost. Tyto faktory dávají ceria příznivý výkon v aplikacích jako pevný elektrolyt palivové články z pevných oxidů. Nedopovaný a dopovaný ceria také vykazuje vysokou elektronickou vodivost při nízkých parciálních tlacích kyslíku v důsledku redukce cérového iontu vedoucí k tvorbě malých polarony. Protože atomy kyslíku v krystalu ceria se vyskytují v rovinách, je difúze těchto aniontů snadná. Rychlost difúze se zvyšuje s rostoucí koncentrací defektů.

Energetiku interakcí ceria s molekulami adsorbátu a jeho smáčivost. Řízení těchto povrchových interakcí je klíčem k využití ceria v katalytických aplikacích.[12]

Přirozený výskyt

Oxid ceričitý se přirozeně vyskytuje jako minerál cerianit - (Ce).[13][14] Jedná se o vzácný příklad čtyřmocného minerálu ceru, další příklady jsou stetindit - (Ce) a dyrnaesite- (La). Přípona „- (Ce)“ je známá jako Levinsonův modifikátor a slouží k zobrazení, který prvek dominuje na konkrétním místě ve struktuře.[15] Často se vyskytuje ve jménech ložisek minerálů prvky vzácných zemin (REE). Výskyt cerianitu- (Ce) souvisí s některými příklady anomálie ceru, kde Ce - který se snadno oxiduje - se odděluje od ostatních REE, které zůstávají trojmocné, a tak se hodí ke strukturám jiných minerálů než cerianit- (Ce).[16][13][14]

Katalýza a povrchová aktivita

Primární nově vznikající aplikace aplikovaného CeO2 materiálů je v oblasti katalýzy. Na povrchu cerie v její nejstabilnější fluoritové fázi dominují roviny s nižší energií (111), které mají tendenci vykazovat nižší povrchovou energii. Reakce nejčastěji katalyzovaná cerem (IV) je posun vodního plynu reakce zahrnující oxidaci kysličník uhelnatý. Ceria byla zkoumána směrem ke katalýze různých konverzních reakcí uhlovodíků včetně CO2 metanace a katalytická oxidace uhlovodíků, jako je toluen.[17][18]

Povrchová funkčnost CeO2 pramení převážně z jeho vnitřní podstaty hydrofobicita, rys, který je běžný mezi oxidy vzácných zemin. Hydrofobicita má tendenci dodávat povrchům katalyzátorů odolnost vůči deaktivaci vodou a zvyšuje tak adsorpci organických sloučenin. Hydrofobicita, kterou lze naopak považovat za organofilitu, je obecně spojena s vyšší katalytickou účinností a je žádoucí v aplikacích zahrnujících organické sloučeniny a selektivní syntézu.[19]

Interkonvertibilita CeOX materiálů je základem použití ceria pro oxidační katalyzátor. Jedno malé, ale názorné použití je jeho použití ve stěnách samočisticí pece jako katalyzátor oxidace uhlovodíků během procesu vysokoteplotního čištění. Dalším malým, ale slavným příkladem je jeho role při oxidaci zemního plynu v plynové pláště.[20]

Zářící Colemane bílý plyn lucerna plášť. Zářící prvek je hlavně ThO2 dopovaný CeO2, zahřívaný oxidací zemního plynu katalyzovanou Ce, vzduchem.

V návaznosti na své odlišné povrchové interakce nachází ceria další využití jako senzor v katalyzátory v automobilových aplikacích, řízení poměru vzduch-výfuk ke snížení NEX a kysličník uhelnatý emise.[21]

Další aplikace

Leštění

Hlavní průmyslové použití ceria je zejména pro leštění chemicko-mechanická planarizace (CMP).[2] Za tímto účelem vytlačil mnoho dalších oxidů, které se dříve používaly, například oxid železa a zirkon. Pro fandy je také znám jako „rouge optiků“.[22][23]

Optika

Výkonný ředitel2 se používá k odbarvení skla přeměnou zeleně zbarvených železných nečistot na téměř bezbarvé oxidy železité.[2]

Oxid ceru našel použití v infračervené filtry, jako oxidující druh v katalyzátory a jako náhrada za oxid thoričitý v žhavé pláště[24]

Smíšené vedení

Kvůli významným iontový a elektronický vedení oxidu ceričitého je vhodný pro použití jako a smíšený vodič,[25] s významnou hodnotou v palivový článek výzkum a vývoj.

Biomedicínské aplikace

Nanočástice oxidu ceričitého (nanoceria) byly zkoumány pro svou antibakteriální a antioxidační aktivitu.[26]

Výzkum

Fotokatalýza

I když je průhledný pro viditelné světlo, absorbuje ultrafialový záření silně, takže se jedná o potenciální náhradu oxid zinečnatý a oxid titaničitý v opalovací krémy, protože má nižší fotokatalytické aktivita.[27] Jeho tepelné katalytické vlastnosti však musí být sníženy potažením částic amorfní oxid křemičitý nebo nitrid boru.[Citace je zapotřebí ]

Palivové články

Ceria je zajímavá jako materiál pro palivové články na tuhý oxid (SOFC) kvůli jeho relativně vysokému kyslíku iontová vodivost (tj. atomy kyslíku se po něm snadno pohybují) při středních teplotách (500–650 ° C) a nižší asociační entalpii ve srovnání se systémem Zirconia.[28]

Štěpení vody

The cyklus oxidu ceričitého a oxidu ceričitého nebo CeO2/ Ce2Ó3 cyklus je dvoustupňový termochemické štěpení vody proces založený na oxidu ceričitém a oxid ceričitý pro výroba vodíku.[29]

Antioxidant

Nanoceria přitahovala pozornost jako biologický antioxidant.[30][31]

Reference

  1. ^ Pradyot Patnaik. Handbook of Anorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN  0-07-049439-8
  2. ^ A b C d Klaus Reinhardt a Herwig Winkler (2000). „Cerium Mischmetal, Cerium Alloys, and Cerium Compounds“. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002 / 14356007.a06_139.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz).
  3. ^ "Standardní termodynamické vlastnosti chemických látek" (PDF). Archivovány od originál (PDF) 29. října 2013.
  4. ^ DFT studie povrchů oxidu ceričitého Applied surface science 2019 vol 478
  5. ^ Poruchy a defektní procesy v nekovových pevných látkách William Hayes, A. M. Stoneham Courier Dover Publications, 2004.
  6. ^ Bulfin, B .; Lowe, A. J .; Keogh, K. A .; Murphy, B.E .; Lübben, O .; Krasnikov, S. A .; Shvets, I. V. (2013). "Analytický model CeO2 Oxidace a redukce ". The Journal of Physical Chemistry C. 117 (46): 24129–24137. doi:10.1021 / jp406578z. hdl:2262/76279.
  7. ^ Ghillanyova, K .; Galusek, D. (2011). „Kapitola 1: Oxidy keramiky“. V Riedelu Ralf; Chen, I-Wie (eds.). Věda a technologie o keramice, materiály a vlastnosti, sv. 2. John Wiley & Sons. ISBN  978-3-527-31156-9.
  8. ^ Munnings, C .; Badwal, S.P.S .; Fini, D. (2014). „Spontánní stresem indukovaná oxidace Ce iontů v ceru dopovaném Gd při pokojové teplotě“. Ionics. 20 (8): 1117–1126. doi:10.1007 / s11581-014-1079-2. S2CID  95469920.
  9. ^ Badwal, S.P.S .; Daniel Fini; Fabio Ciacchi; Christopher Munnings; Justin Kimpton; John Drennan (2013). "Strukturální a mikrostrukturální stabilita elektrolytu ceria - gadolinia vystaveného redukčnímu prostředí vysokoteplotních palivových článků". J. Mater. Chem. A. 1 (36): 10768–10782. doi:10.1039 / C3TA11752A.
  10. ^ Anandkumar, Mariappan; Bhattacharya, Saswata; Deshpande, Atul Suresh (2019-08-23). „Nízkoteplotní syntéza a charakterizace jednofázových vícesložkových solí nanočástic oxidu fluoritového“. RSC zálohy. 9 (46): 26825–26830. doi:10.1039 / C9RA04636D. ISSN  2046-2069.
  11. ^ Pinto, Felipe M (2019). "Poruchy kyslíku a povrchová chemie redukovatelných oxidů". Hranice v materiálech. 6: 260. Bibcode:2019FrMat ... 6..260P. doi:10,3389 / fmats.2019.00260. S2CID  204754299. Citováno 19. října 2020.
  12. ^ Fronzi, Marco; Assadi, M. Hussein N .; Hanaor, Dorian A.H. (2019). "Teoretické pohledy na hydrofobnost povrchů CeO2 s nízkým indexem". Aplikovaná věda o povrchu. 478: 68–74. arXiv:1902.02662. Bibcode:2019ApSS..478 ... 68F. doi:10.1016 / j.apsusc.2019.01.208. S2CID  118895100.
  13. ^ A b „Cerianite- (Ce)“. www.mindat.org. Citováno 2020-11-12.
  14. ^ A b "Seznam minerálů". www.ima-mineralogy.org. 2011-03-21. Citováno 2020-11-12.
  15. ^ Burke, Ernst (2008). „Použití přípon v názvech minerálů“ (PDF). Elementy. 4 (2): 96.
  16. ^ Pan, Yuanming; Stauffer, Mel R. (2000). „Anomálie ceru a frakce Th / U v 1,85 Ga Flin Flon Paleosolu: Stopy od doplňkových minerálů bohatých na REE a U a důsledky pro paleo-atmosférickou rekonstrukci“. Americký mineralog. 85 (7): 898–911.
  17. ^ Ruosi Peng; et a. (2018). "Vliv velikosti nanočástic Pt na katalytickou oxidaci toluenu nad katalyzátory Pt / CeO2". Aplikovaná katalýza B: Životní prostředí. 220.
  18. ^ Montini, Tiziano; Melchionna, Michele; Monai, Matteo; Fornasiero, Paolo (2016). "Základy a katalytické aplikace CeO2-Na základě materiálů. Chemické recenze. 116 (10): 5987–6041. doi:10.1021 / acs.chemrev.5b00603. PMID  27120134.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  19. ^ Paier, Joachim; Penschke, Christopher; Sauer, Joachim (2013). „Defekty kyslíku a povrchová chemie Ceria: Kvantově chemické studie ve srovnání s experimentem“. Chemické recenze. 113 (6): 3949–3985. doi:10.1021 / cr3004949. PMID  23651311.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  20. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-08-037941-8.
  21. ^ Twigg, Martyn V. (2011). "Katalytická regulace emisí z automobilů". Katalýza dnes. 163: 33–41. doi:10.1016 / j.cattod.2010.12.044.
  22. ^ Vlastnosti běžných brusiv (Boston Museum of Fine Arts)
  23. ^ Databáze materiálů MFA.
  24. ^ „Oxid ceričitý“. DaNa. Archivovány od originál dne 02.03.2013.
  25. ^ „Smíšené vodiče“. Institut Maxe Plancka pro výzkum v pevné fázi. Citováno 16. září 2016.
  26. ^ Rajeshkumar, S .; Naik, Poonam (2018). „Syntéza a biomedicínské aplikace nanočástic oxidu ceričitého - recenze“. Zprávy o biotechnologii. 17: 1–5. doi:10.1016 / j.btre.2017.11.008. ISSN  2215-017X. PMC  5723353. PMID  29234605.
  27. ^ Zholobak, N.M .; Ivanov, V. K.; Shcherbakov, A.B .; Shaporev, A.S .; Polezhaeva, O.S .; Baranchikov, A.Ye .; Spivak, N.Ya .; Treťjakov, Yu.D. (2011). „Vlastnost stínění proti UV záření, fotokatalytická aktivita a fotocytotoxicita koloidních roztoků ceria“. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 102 (1): 32–38. doi:10.1016 / j.jphotobiol.2010.09.002. PMID  20926307.
  28. ^ Arachi, Y. (červen 1999). "Elektrická vodivost systému ZrO2 – Ln2O3 (Ln = lanthanoidy)". Ionika v pevné fázi. 121 (1–4): 133–139. doi:10.1016 / S0167-2738 (98) 00540-2.
  29. ^ „Výroba vodíku ze solárních termochemických cyklů štěpení vody“. SolarPACES. Archivovány od originál 30. srpna 2009.
  30. ^ Karakoti, A. S .; Monteiro-Riviere, N. A .; Aggarwal, R .; Davis, J. P .; Narayan, R. J .; Self, W. T .; McGinnis, J .; Seal, S. (2008). „Nanoceria jako antioxidant: syntéza a biomedicínské aplikace“. JOM. 60 (3): 33–37. Bibcode:2008JOM .... 60c..33K. doi:10.1007 / s11837-008-0029-8. PMC  2898180. PMID  20617106.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  31. ^ Hussain S, Al-Nsour F, Rice AB, Marshburn J, Yingling B, Ji Z, Zink JI, Walker NJ, Garantziotis S (2012). „Nanočástice oxidu ceričitého indukují apoptózu a autofagii v lidských monocytech periferní krve“. ACS Nano. 6 (7): 5820–9. doi:10.1021 / nn302235u. PMC  4582414. PMID  22717232.

externí odkazy