Oxid ceričitý - Cerium(IV) oxide

Oxid ceričitý
Jména
	Název IUPAC Oxid ceričitý
	Ostatní jména Oxid cerový, ; Ceria, ; Oxid ceričitý
Identifikátory
Číslo CAS
3D model ( JSmol )
ČEBI
ChemSpider
Informační karta ECHA	100,013,774
PubChem CID
UNII
CompTox Dashboard ( EPA )
	InChI InChI = 1S/Ce.2O/q+4; 2-2 Klíč: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N ; InChI = 1/Ce.2O/q+4; 2-2 Klíč: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYAX ;
	ÚSMĚVY [O-2] = [Ce+4] = [O-2];
Vlastnosti
Chemický vzorec	CeO 2
Molární hmotnost	172,115 g/mol
Vzhled	bílá nebo světle žlutá pevná látka, ; mírně hygroskopická
Hustota	7,215 g / cm 3
Bod tání	2400 ° C (4350 ° F; 2670 K)
Bod varu	3500 ° C (6330 ° F; 3770 K)
Rozpustnost ve vodě	nerozpustný
Magnetická citlivost (χ)	+26,0 · 10 −6 cm 3 /mol
Struktura
Krystalická struktura	krychlový krystalový systém , cF12 ( fluorit )
Vesmírná skupina	Fm 3 m, #225
Mřížová konstanta	a = 5,41 Á, b = 5,41 Á, c = 5,41 Á α = 90 °, β = 90 °, γ = 90 °
Koordinační geometrie	Ce, 8, kubický ; O, 4, čtyřboký
Nebezpečí
NFPA 704 (ohnivý diamant)	1 0 0
Související sloučeniny
Související sloučeniny	Oxid ceritý
	Pokud není uvedeno jinak, jsou údaje uvedeny pro materiály ve standardním stavu (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
	ověřit ( co je to ?)
	Reference na infobox

Ceru (IV) oxid , také známý jako ceričitého oxid , ceričitého uhličitý , oxid ceričitý , oxid ceru nebo oxidu ceričitého , je oxid z kovů vzácných zemin ceru . Je to světle žlutobílý prášek s chemickým vzorcem CeO ₂ . Je to důležitý komerční produkt a meziprodukt při čištění prvku z rud. Charakteristickou vlastností tohoto materiálu je jeho reverzibilní přeměna na nestechiometrický oxid .

Výroba

Cer se přirozeně vyskytuje ve směsi s dalšími prvky vzácných zemin v hlavních rudách, bastnaezitu a monazitu . Po extrakci kovových iontů do vodné báze se Ce od této směsi oddělí přidáním okysličovadla a následnou úpravou pH. Tento krok využívá nízkou rozpustnost CeO ₂ a skutečnost, že jiné prvky vzácných zemin odolávají oxidaci.

Ceru (IV) oxid je tvořena kalcinace z ceru oxalátu nebo hydroxid ceru .

Cer také tvoří oxidu ceru (III) , Ce
₂Ó
₃, který je nestabilní a bude oxidovat na oxid ceričitý.

Struktura a chování defektů

Oxid ceru přijímá strukturu fluoritu , prostorovou skupinu Fm 3 m, č. 225 obsahující 8 souřadnic Ce ⁴⁺ a 4 souřadnic O ²⁻ . Při vysokých teplotách uvolňuje kyslík za vzniku nestechiometrické formy s nedostatkem aniontů, která zachovává fluoritovou mřížku. Tento materiál má vzorec CeO _{(2− x )} , kde 0 < x <0,28. Hodnota x závisí jak na teplotě, povrchovém zakončení, tak na parciálním tlaku kyslíku. Rovnice

{\ displaystyle {\ frac {x} {0,35-x}} = \ left ({\ frac {106 \, 000 {\ text {Pa}}} {P _ {\ mathrm {O} _ {2}}}} \ right)^{0,217} \ exp \ left ({\ frac {-195,6 {\ text {kJ/mol}}} {RT}} \ right)}

bylo ukázáno, že předpovídá rovnovážnou nestechiometrii x v širokém rozsahu parciálních tlaků kyslíku (10 ³ –10 ⁻⁴ Pa) a teplot (1000–1900 ° C).

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

Počet volných míst pro kyslík se často měří pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie k porovnání poměru Ce³⁺
na Ce⁴⁺
.

Chemie vad

V nejstabilnější fluoritové fázi ceru vykazuje několik defektů v závislosti na parciálním tlaku kyslíku nebo napjatém stavu materiálu.

Primárními vadami zájmu jsou uvolněná místa v kyslíku a malé polarony (elektrony lokalizované na cerových kationtech). Zvýšení koncentrace defektů kyslíku zvyšuje rychlost difúze oxidových aniontů v mřížce, což se odráží ve zvýšení iontové vodivosti . Tyto faktory dávají ceru příznivý výkon v aplikacích jako pevný elektrolyt v palivových článcích na bázi pevného oxidu . Nedopovaný a dopovaný cer také vykazují vysokou elektronickou vodivost při nízkých parciálních tlacích kyslíku v důsledku redukce iontu ceru, což vede k tvorbě malých polaronů . Protože se atomy kyslíku v krystalu ceria vyskytují v rovinách, je difúze těchto aniontů snadná. Rychlost difúze se zvyšuje s rostoucí koncentrací defektu.

Přítomnost kyslíkových volných míst v terminujících rovinách ceria řídí energetiku interakcí ceru s molekulami adsorbátu a její smáčivost . Řízení takových povrchových interakcí je klíčové pro využití ceru v katalytických aplikacích.

Přirozený výskyt

Oxid ceritý se přirozeně vyskytuje jako minerál cerianit-(Ce) . Jedná se o vzácný příklad čtyřmocného minerálu ceru, dalšími příklady jsou stetindit- (Ce) a dyrnaesit- (La) . Přípona „-(Ce)“ je známá jako modifikátor Levinson a slouží k ukázání toho, který prvek dominuje na konkrétním místě ve struktuře. Často se vyskytuje ve jménech minerálů nesoucích prvky vzácných zemin (REE). Výskyt cerianitu - (Ce) souvisí s některými příklady anomálie ceru , kde Ce - který je snadno oxidován - je oddělen od ostatních REE, které zůstávají trivalentní, a tak se hodí ke strukturám jiných minerálů než cerianit - (Ce).

Katalýza a povrchová aktivita

Primární nová aplikace aplikovaných materiálů CeO ₂ je v oblasti katalýzy. Povrchům ceru v jeho nejstabilnější fluoritové fázi dominují roviny s nižší energií (111), které mají tendenci vykazovat nižší povrchovou energii. Reakcí nejčastěji katalyzovanou cerem (IV) je reakce vodního plynu , zahrnující oxidaci oxidu uhelnatého . Oxid ceričitý byl zkoumán na katalýzu různých reakcích přeměny uhlovodíků, včetně CO ₂ methanace a katalytické oxidace uhlovodíků, jako je toluen .

Povrchová funkčnost CeO ₂ vyplývá z velké části z její vnitřní hydrofobicity , což je vlastnost, která je běžná mezi oxidy vzácných zemin. Hydrofobicita má tendenci zvyšovat odolnost vůči deaktivaci vody na povrchu katalyzátorů a tím zvyšuje adsorpci organických sloučenin. Hydrofobicita, která může být naopak chápána jako organofilita, je obecně spojena s vyšším katalytickým výkonem a je žádoucí v aplikacích zahrnujících organické sloučeniny a selektivní syntézu.

Interkonvertibilita materiálů CeO _x je základem použití ceru pro oxidační katalyzátor. Jedno malé, ale ilustrativní použití je jeho použití ve stěnách samočisticích pecí jako katalyzátoru oxidace uhlovodíků během vysokoteplotního čisticího procesu. Dalším malým, ale slavným příkladem je jeho role v oxidaci zemního plynu v plynových pláštích .

Zářící Coleman bílý plynový lampionový plášť. Zářící prvek je převážně ThO ₂ dotovaný CeO ₂ , zahřívaný Ce-katalyzovanou oxidací zemního plynu vzduchem.

Na základě svých výrazných povrchových interakcí nachází ceria další využití jako senzor v katalyzátorech v automobilových aplikacích, který řídí poměr výfukových plynů ke snížení emisí NO _x a oxidu uhelnatého .

Další aplikace

Leštění

Hlavní průmyslovou aplikací ceru je leštění, zejména chemicko-mechanická planarizace (CMP). Za tímto účelem vytlačila mnoho dalších dříve používaných oxidů, jako je oxid železa a zirkony . Pro fandy je také známý jako „optický rouge“.

Optika

CeO ₂ se používá k odbarvení skla přeměnou zeleně zbarvených železitých nečistot na téměř bezbarvé oxidy železa.

Oxid cerový našel použití v infračervených filtrech , jako oxidační druh v katalyzátorech a jako náhrada oxidu thoričitého v žhavicích pláštích

Smíšené vedení

Vzhledem k významnému iontovému a elektronickému vedení oxidu ceru je vhodný pro použití jako smíšený vodič , což má značný význam ve výzkumu a vývoji palivových článků .

Biomedicínské aplikace

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

Svařování

Oxid ceritý se používá jako přídavek wolframových elektrod pro plynové wolframové obloukové svařování. Poskytuje výhody oproti čistým wolframovým elektrodám, jako je snížení spotřeby elektrod a snadnější start a stabilita oblouku. Ceria elektrody byly poprvé uvedeny na americký trh v roce 1987 a jsou užitečné v AC, DC Electrode Positive a DC Electrode Negative. Další podrobnosti o těchto elektrodách lze nalézt v příloze B ASME BPVC.II.C SFA-5.12.

Výzkum

Fotokatalýza

I když je průhledný pro viditelné světlo, silně absorbuje ultrafialové záření, takže je perspektivní náhradou oxidu zinečnatého a oxidu titaničitého v opalovacích krémech , protože má nižší fotokatalytickou aktivitu. Jeho tepelně katalytické vlastnosti však musí být sníženy potažením částic amorfním oxidem křemičitým nebo nitridem boru .

Palivové články

Ceria je zajímavá jako materiál pro palivové články z tuhých oxidů (SOFC), protože má relativně vysokou vodivost kyslíkových iontů (tj. Přes ni se snadno pohybují atomy kyslíku) při mezilehlých teplotách (500–650 ° C) a nižší asociační entalpii ve srovnání se systémem Zirconia .

Rozštěpení vody

(IV) oxidu ceru (III) cyklus oxidu ceričitého nebo CeO ₂ / CE ₂ O ₃ cyklus se skládá ze dvou kroků termochemické vodní štípací proces založený na ceru (IV) oxid a ceru (III), oxidu pro výrobu vodíku .

Languages

In other projects