Оксид церия как сделать

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 19.09.2024

Оглавление диссертации кандидат технических наук Проценко, Татьяна Владимировна

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Физико-химические и каталитические свойства оксида церия (IV).

1.1.1. Физико-химические свойства.

1.1.2. Адсорбционно-каталитические свойства.

1.2. Оксид церия как носитель катализаторов.

1.3. Получение оксида церия (IV) с развитой поверхностью.

1.3.1. Осаждение церия в виде гидроксида.

1.3.2. Осаждение церия в виде карбоната.

1.4. Способы регулирования поверхности оксида церия в процессе его синтеза.

1.5. Термическое разложение карбоната церия.

1.6. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

2.1. Синтез оксида церия (IV).

2.1.1. Получение карбоната церия.

2.1.2. Термическая обработка карбоната церия.

2.2. Физико-химические методы анализа.

2.2.1. Измерение удельной поверхности образцов.

2.2.2. Определение фазового состава образцов.

2.2.3. Определение размера и формы частиц.

2.2.4. Определение содержания щелочных металлов.

2.2.5. Определение пористости продукта.

2.2.6. Изучение реакции термолиза карбоната церия.

2.3. Изучение кинетики термического разложения карбоната церия.

Глава 3. Влияние условий получения карбоната церия на дисперсные свойства оксида церия.

3.1. Влияние типа осадителя на удельную поверхность оксида церия.

3.2. Применение в качестве осадителя карбоната аммония.

3.2.1. Влияние концентрации исходных растворов на удельную поверхность оксида церия.

3.2.2. Влияние кратности промывок карбоната церия на удельную поверхность оксида церия.

3.2.3. Влияние продолжительности старения карбоната церия на дисперсные свойства оксида церия.

Поверхностный самораспространяющийся термосинтез катализаторов нейтрализации выхлопных газов 2005 год, кандидат химических наук Завьялова, Ульяна Федоровна

Синтез и исследование ураноксидных катализаторов 2011 год, кандидат химических наук Лазарева, Светлана Валерьевна

Структурообразование и свойства высокопористого блочного катализатора окисления молекулярного водорода 1998 год, кандидат технических наук Филимонова, Ирина Владимировна

Формирование суспензионным методом многокомпонентных высокопористых покрытий на основе γ-Al2O3 на блочных носителях для Pt-Pd-Rh катализаторов очистки газов 2007 год, кандидат химических наук Дробаха, Григорий Сергеевич

Термоактивация нанесенных платиновых и палладиевых катализаторов глубокого окисления углеводородов 2004 год, кандидат химических наук Чжу, Денис Петрович

Защита окружающей среды от воздействия вредных веществ на сегодняшний день является одной из главных задач человечества. С ростом количества автомобилей в городах выхлопы автотранспорта занимают основное место среди загрязнителей воздуха. При увеличении интенсивности движения автомобилей, во время запуска и остановки двигателя, при работе на холостом ходу, а также при эксплуатации машины с плохо отрегулированной системой сжигания топлива содержание вредных веществ в выхлопной смеси значительно возрастает.

Каталитически активны в реакции окисления оксиды с!-переходных элементов, однако они значительно уступают катализаторам на основе благородных металлов(Р1;, Рс1, ЯН), так как менее устойчивы к спеканию при высоких температурах и отравлению каталитическими ядами, что уменьшает продолжительность их работы. Кроме того, при низких температурах контакты на основе неблагородных металлов менее активны благородных. В свою очередь, существенным недостатком катализаторов на основе благородных металлов является их высокая стоимость. В ряде работ показано, что введение Се02 в состав катализаторов очистки выхлопных газов автотранспорта в качестве промотирующей добавки [2, 3, 4, 5], либо в качестве носителя [6, 7, 8, 9] в значительной степени улучшает их работу. Уникальность диоксида церия выражается в том, что он: улучшает равномерное распределение благородного металла по поверхности носителя; увеличивает термическую стабильность носителя, являясь текстурным промотором: на поверхности оксида алюминия диоксид церия образует алюминат СеАЮз, который препятствует переходу у-А120з в а-А1203 [101]; обеспечивает стабильную работу катализатора во время колебаний состава выхлопной смеси, накапливая кислород в бедных смесях (соотношение топливо/воздух 1), благодаря способности быстро менять степень окисления от +4 до +3 и обратно.

Поскольку в последних исследованиях доказана ключевая роль Се02 в составе 3-х функциональных катализаторов, то весьма актуальной является разработка катализаторов на основе церия для того, чтобы снизить содержание благородных металлов или полностью заменить их на оксиды менее дорогих металлов.

Благодаря электронной конфигурации церия, диоксид церия нашел применение в самых различных видах: как полирующий агент, как люминофор, керамика, полупроводник, катализатор.

Се02 широко используется в катализе, поскольку активно катализирует реакции окислительно-восстановительного типа, в первую очередь, глубоко7 го окисления. Диоксид церия способен также катализировать реакции восстановления, разложения различных молекул, гидрирования.

Диоксид церия обладает многими характеристиками, которые делают его отличным носителем: высокая температура плавления, хорошая термостойкость, высокая реакционноспособность в твердофазных реакциях, доступность.

В настоящее время опубликовано значительное количество работ в области получения высоко дисперсного диоксида церия. Исследования ведутся практически во всех странах, в частности, в Японии, США, Франции, России. Лидером в производстве высокодисперсного диоксида церия и катализаторов (носителей) на его основе является французская фирма Rhone-Poulenc Chimie. Методы получения описаны, главным образом, в патентной литературе, и рассматривают золь-гель технологии с применением органических реагентов, поэтому важно найти менее сложный и трудоемкий метод получения СеС>2 в виде порошка с высокоразвитой поверхностью.

Цель работы состояла в исследовании физико-химических основ получения диоксида церия с высокой удельной поверхностью для последующего использования его в качестве носителя катализаторов для различных процессов, в частности, трех-функциональных катализаторов обезвреживания выхлопных газов автотранспорта, а также в разработке рациональных технологических параметров процесса.

Химия – экспериментальная наука. В природе металлов почти в 4 раза больше, чем неметаллов, а в школьном курсе мы изучаем только некоторые металлы. С некоторыми из металлов мы знакомы только по таблице Менделеева, например, с лантаноидами. Актуальность нашего исследования заключается в существующем пробеле в знаниях о лантаноидах и их соединениях, который не позволяет создать полноценную картину о металлах и их оксидах.

практически изучить физические и химические свойства оксида церия (IV).

Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования :

  1. Изучить, проанализировать и систематизировать теоретический материал о лантаноидах и их оксидах, класс опасности и возможности работы с ними в школьной лаборатории.
  2. Углубленно изучить условия проведения химических реакций, характерных для оксида церия (IV), практически осуществить возможные реакции.
  3. Сформировать коллекцию веществ, содержащих церий.

Поставленные задачи решались с использованием различных методов исследования, основными из которых являлись следующие: анализ и синтез, прогнозирование химических реакций, проведение эксперимента.

Объектом исследования в данной работе является оксид одного из лантаноидов.

Предметом исследования являются условия проведения реакций, характерных для выбранного оксида.

Практическая значимость исследования заключается в том, что результаты работы могут быть полезны для расширения знаний за рамки учебной программы.

Роль учителя: общее руководство за выполнением работы, консультативная помощь, обеспечение реактивами и специальной литературой.

Техника безопасности: работа выполнена в школьной лаборатории.

Раздел 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

По химическим свойствам лантаноиды весьма сходны между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов: по мере увеличения заряда ядра структура двух внешних электронных оболочек не меняется, т.к. происходит заполнение электронами 3-й снаружи оболочки – глубоколежащего 4f-уровня. Максимально возможное число электронов на f-уровне равно 14, что определяет число элементов семейства лантаноидов. Лантаноиды подразделяются на 2 подгруппы: цериевую, включающую церий Се, празеодим Pr, неодим Nd, прометий Pm, самарий Sm, европий Eu, и иттриевую, включающую гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Но, эрбий Ег, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu. Это деление обусловлено периодичностью изменения некоторых свойств внутри семейства лантаноидов; названия подгрупп возникли исторически [9] (см. Приложение 1).

1.2. Церий – металл с большим будущим

1.2.1. Нахождение в природе

Церий относится к группе редкоземельных элементов, однако он, по сравнению с другими представителями этой группы, вместе с лантаном и неодимом более распространен в природе, содержание церия в земной коре составляет 6,8·10 -3 % мас. и он встречается почти во всех редкоземельных минералах (в виде простого вещества не встречается). В природе СеО2 встречается в виде минерала церианита. Важнейшим для технологии церия минералом является монацитовый песок, представляющий собой смесь фосфатов церия, лантана, иттрия, и содержащий примеси оксидов титана, циркония, кремния и др. Запасы церия оцениваются в 40·10 6 тонн.

1.2.2. Физические свойства.

Церий – серебристо-белый металл. Температура плавления 798°С; его плотность (в зависимости от типа кристаллической модификации) изменяется в интервале 6,66–8,23 г/см 3 , В инертной атмосфере, предохраняющей от окисления, церий легко куется при комнатной температуре без нагревания, прессуется, и свободно поддается механической обработке [8] (см. Приложение 2).

1.2.3. Химические свойства

Церий – редкоземельный элемент (№58) из группы лантаноидов,

4f- элементов с порядковыми номерами 58 – 71. Электронная конфигурация атома церия характеризуется наличием двух электронов на 4f-подуровне: 58Се …4f 2 [5s 2 5p 6 ]6s 2 .

Церий – химически весьма весьма реакционно-способный металл, на воздухе он окисляется за несколько суток, образуя серый рассыпающийся порошок, состоящий из гидратированных карбонатов. При нагревании на воздухе в виде монолитного блока церий загорается при 160–180° С, мелкодисперсный металлический порошок вспыхивает на воздухе в результате энергичного окисления. Церий разлагает воду при кипячении с выделением Н2, растворим в минеральных кислотах, устойчив к действию щелочей. В ряду активности церий и другие лантаноиды можно расположить между Са и Мg. Он легко реагирует с кислородом и водородом, бурно взаимодействует с галогенами, азотом и углеродом, образует много разных соединений. Наиболее характерны для церия степени окисления +3 и +4 Се(III) и Ce(IV). Ионы Се(III), бесцветные в водных растворах, в щелочной среде в присутствии окислителей легко переходят в ионы Ce(IV), имеющие желтую окраску. Это свойство церия позволило обнаружить неизвестный ранее тип реакций, названных колебательными.

1.2.4. Применение церия

Церий называют металлом с большим будущим, и для этого есть основания. Настоящее церия – более многогранно, чем у любого из его аналогов.

Цериевая земля открыта в 1803 г., в чистом виде ее первым получил Мозандер в 1839 г., но лишь в 1875 г. впервые получен металлический церий.

Одна из первых областей применения церия актуальна и сегодня. Даже современная газовая зажигалка не может работать без кремня. Но в зажигалках работают не те темно-рыжие камешки, из которых высекали искры первобытные люди. Кремни в зажигалках – это хрупкие светлые столбики из пирофорного сплава железа с церием. Тот же сплав работает в трассирующих снарядах. Сделанная из него специальная насадка надета на снаряд снаружи, а роль рифленого металлического диска, высекающего искру, здесь играет воздух. При больших скоростях трение насадки о воздух заставляет пирофорный сплав искрить [3].

1.3. Соединения церия, их свойства

1.3.1. Физические свойства диоксида церия

СеO2 - белый с желтым оттенком (иногда, бледно-лимонно-желтого цвета), плотный кристаллический порошок. Разница в оттенках зависит от размеров зерен осадка. Часто СеО2 бывает окрашен в цвет от желтого до темно-оранжевого, который усиливается при нагревании из-за присутствия следов празеодима или от окрашенных полиморфных форм. Различные оттенки окраски двуокиси церия так же объясняются наличием различных примесей: неодима, железа и др.

1.3.2. Абразивные свойства диоксида церия

Переоценить способности к финишной полировке диоксидом церия трудно. Он полирует не только плоскость стекла и фацет, но и оптические линзы. Многие предприятия, использующие ранее полирит и фторпол перешли на диоксид церия в связи с его дешевизной по сравнению с другими продуктами.

1.3.3. Химические свойства диоксида церия и его производных

Сульфат церия (IV) так же умеренно растворим в воде, как хлориды и нитраты в отличие от труднорастворимых в воде карбонатов, оксалатов, фторидов и фосфатов. Раствор сульфата церия (IV) имеет яркий желтый цвет. Достаточно легко вывести воду из этой соли, нагрев реакционную смесь до 180-200 о С.

В водном растворе церий восстанавливается до Се 3+ .

Ион Се 4+ является сильным окислителем, особенно в кислой среде. Если он добавляется в разбавленную соляную кислоту, то образуется хлор, хотя и медленно.

Сульфат церия (IV) применяется как катализатор в периодически действующих реакциях (автоколебательные реакции Белоусова-Жаботинского). Исследования колебательных химических реакций в жидкой фазе началась в 1951 году, когда Б.П.Белоусов открыл колебания концентраций окисленной и восстановительной форм церия в реакции взаимодействия лимонной кислоты с броматом. Раствор регулярно менял свою от бесцветной к жёлтой (обусловленной Се 4+ ), затем снова к бесцветной (Се 3+ ) и т.д. Белоусов провёл достаточно подробное исследование этой реакции и, в частности, показал, что период колебаний сильно уменьшается с повышением кислотности среды и температуры. Реакция была удобна для лабораторных исследований. Колебания можно было легко наблюдать визуально, а их период находился в пределах 10 – 100 с, совпадая с естественным масштабом времени человека – наблюдателя.

В конце 1961 года работа Б.П. Белоусова была продолжена А.М. Жаботинским, который получил колебания при использовании в качестве восстановителя в реакции Белоусова не только лимонной, но и малоновой, а также яблочной кислот. Новость об этой изумительной реакции обошла весь мир, и в нескольких лабораториях (в СССР, США и Западной Европе) стали интенсивно изучать реакцию Белоусова-Жаботинского (БЖ). Колебательные реакции наконец-то вошли в химические лаборатории.

Реакция взаимодействия оксида церия(IV) и гидроксида натрия:

Реакция взаимодействия оксида церия (IV) и гидроксида натрия с образованием церата натрия и воды протекает при сплавление реакционной смеси.

Слабые амфотерные свойства Се(ОН)4 реализуются лишь при высоких температурах при спекании со щелочью. Гидроксид церия Се(ОН)4 осаждается из растворов в виде студенистого труднорастворимого соединения и в водных растворах проявляет основный характер.

Переход церия из степени окисления +3 в +4 и наоборот достаточно легко осуществляется в водных растворах действием соответствующих окислителей или восстановителей:

рН 4+ являются довольно сильными окислителями в кислых средах. Например, при растворении гидроксида церия (IV) в соляной кислоте протекает следующая реакция:

Следует отметить, что при действии на Се(ОН)3 раствором пероксида водорода H2O2 в присутствии гидроксида аммония NH4OH сначала идет окисление до Се(ОН)4, а затем образуется осадок красно-коричневого соединения гидропероксида церия (IV) Се(ОН)3(ООН). Эта реакция используется для качественного определения церия в водных растворах:

1.4. Соединения церия, их применение

1.4.1. Диоксид церия и газокалильные лампы

Задолго до того, как церий нашел применение, большие запасы соединений церия были накоплены в виде отходов, образовавшихся при производстве солей тория из минерала монацита.

1.4.2. Диоксид церия – катализатор

В химической и нефтяной промышленности диоксид церия CeO2 используют как катализатор. В частности, CeO2 хорошо ускоряет практически важную реакцию между водородом и оксидом углерода. Так же хорошо и надежно работает диоксид церия в аппаратах, где происходит дегидрогенизация спиртов. Другое соединение элемента №58 – его сульфат Ce(SO4)2 – считают перспективным катализатором для сернокислого производства. Он намного ускоряет реакцию окисления сернистого ангидрида в серный.

1.4.3. Диоксид церия и стекло

В атомной технике широко применяют и церийсодержащие стекла – они не тускнеют под действием радиации. Между прочим, участие в рецептурах специальных стекол – одна из многих ролей церия в стеклоделии. Его диоксид вводят в стекло как осветлитель и иногда как светло-желтый краситель. То же вещество – основной компонент полирита, самого эффективного порошка для полировки оптического и зеркального стекла. Полирит – коричневый порошок, состоящий из оксидов редкоземельных элементов. Диоксида церия в нем не меньше 45%. Известно, что с переходом на полирит качество полировки значительно улучшилось. На заводе им. Ф.Э. Дзержинского, например, выход первосортного зеркального стекла после перехода на полирит увеличился в 10 раз! Выросла и производительность конвейера – за то же время полирит снимает примерно вдвое больше материала, чем другие полирующие порошки [11].

1.4.4. Диоксид церия - амбразив

Абразивные материалы – это материалы, обладающие высокой твердостью и используемые для обработки поверхности различных материалов: металлов, керамических материалов, горных пород, минералов, стекла, кожи, резины и других

В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причём новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные. Диоксид церия относится к синтетическим и входит в состав полирита. Полирит – это порошок коричневого цвета, содержит до 97 % окислов редкоземельных элементов (в том числе до 45 % окиси церия). Применяется для полировки стекла и полупроводниковых материалов[5].

1.4.5. Диоксид церия и косметика

Нашел свое применение диоксид церия и в косметологии благодаря способности поглощать ультрафиолетовое излучение. Солнцезащитные крема включают в свой состав оксид цинка. Однако самыми ближайшими перспективами лабораторных исследований является постепенная замена оксида цинка оксидом церия [11].

Раздел 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Физические свойства диоксида церия

Наш образец СеO2 - белый с желтым оттенком, плотный кристаллический порошок. В воде не растворим.

2.2. Абразивные свойства диоксида церия

2.3. Химические свойства диоксида церия

Раствор сульфата церия (IV) имеет яркий желтый цвет.

Реакция взаимодействия оксида церия(IV) и гидроксида натрия:

Реакция взаимодействия оксида церия(IV) и гидроксида натрия с образованием церата натрия и воды протекает при сплавление реакционной смеси.

Сульфат церия (IV) применяется как катализатор в периодически действующих реакциях (автоколебательные реакции Белоусова-Жаботинского).

Для проведения опыта приготовили два раствора. В первом случае раствор сульфата церия ( IV ), в данном эксперименте было использовано 1,0 г свежее приготовленного сульфата церия, растворённого в 15 мл воды и подкисленного серной кислотой. Во втором - в 10 мл горячей воды растворили лимонную кислоту и туда же высыпали бромат калия. Для полного растворения веществ смесь слегка подогрели. Приготовленные растворы быстро сливаем вместе и перемешиваем стеклянной палочкой. Появляется светло-жёлтая окраска, которая через 20 сек. меняется на тёмно-коричневую, но спустя 20 сек. вновь становится жёлтой. При температуре 45 о С такое изменение можно наблюдать в течении 2 мин. Затем раствор помутнеет, начнут выделяться пузырьки оксида углерода (IV), а промежутки чередования цвета раствора постепенно увеличиваются в строго определённой последовательности: каждый следующий промежуток больше предыдущего на 10 - 15 сек., также при этом происходит увеличение температуры раствора.

Механизм химической реакции можно объяснить в упрощенном варианте, то есть как окислительно - восстановительный процесс, в котором роль окислителя выполняет бромноватая кислота (БК), а восстановителя - лимонная кислота:

Изменение цвета раствора происходит под действием катализаторов - соединений церия, которые в свою очередь также меняют степень окисления, но до определённой концентрации иона, после чего происходит обратный процесс.

Подтвердилась наша гипотеза о том, что химические свойства оксида церия (IV) аналогичны свойствам оксидов типичных металлов; на свойства выбранного оксида не влияет срок его хранения, хотя современные производители указывают: гарантийный срок хранения оксида церия составляет с момента изготовления 1 год [4].

Аргументы, приведенные выше, показывают высокую теоретическую и

практическую значимость продолжения исследований на основании имеющихся описаний в научной литературе.

Список используемых источников

Открытие лантаноидов. Историческая справка.

Так, к первым годам 20 в. были открыты все лантаноиды, за исключением радиоактивного элемента с атомным номером 61, который в природе не встречается. Его получили только в 1947 американские физики Дж. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориелл из осколков деления урана в ядерном реакторе и назвали прометием (от имени Прометея) [4].

Церий (IV) оксид , или оксид церия является оксид на редкоземельного металла церия . В дополнение к этому, есть также оксид церия (III) (Ce 2 O 3 ) и темно-синий смешанный оксид оксида церия (III, IV) (Ce 3 O 4 ). В 1808 году английский химик сэр Хамфри Дэви показал, что церит редкоземельного элемента - это не элемент, а комбинация металлических элементов, кремния и кислорода . Между 1839 и 1843 годами Карлу Густаву Мосандеру удалось разделить и доказать, что это смесь различных оксидов металлов с диоксидом кремния или островным силикатом ((Ce, La, Ca) 9 (Fe 3+ , Mg) [(OH) 3 | SiO 3 (OH) | (SiO 4 ) 6 ]).

Оглавление

характеристики

Как и все оксиды редкоземельных элементов, оксид церия (IV) при нагревании излучает сильный свет. Он кристаллизуется в структуре флюорита . В чистом виде оксид имеет цвет от кремового до светло-желтого. Если он содержит примеси (например, неодим, празеодим), оксид также может приобретать коричневые оттенки. Коричневый цвет - это в основном оксид церия, который используется для шлифовки и полировки. Чистота здесь не имеет значения.

Реакции

При нагревании реакция церия с конц. Сернокислый сульфат церия (IV) :

Исполнительный директор 2 + 2 ЧАС 2 ТАК 4-й ⟶ Ce ( ТАК 4-й ) 2 + 2 ЧАС 2 О Ce (SO4) 2 + 2 H2O>>>

использовать

катализатор

Оксид церия (IV) используется в каталитических нейтрализаторах автомобилей и в случае недостатка кислорода окисляет монооксид углерода и избыток углеводородов в соответствии с:

4-й Исполнительный директор 2 + 2 CO ⟶ 2 Ce 2 О 3 + 2 CO 2 2 Ce2O3 + 2 CO2>>>

Если в выхлопных газах присутствует избыток кислорода, каталитический нейтрализатор повторно активируется:

2 Ce 2 О 3 + О 2 ⟶ 4-й Исполнительный директор 2 4 CeO2>>>

Трубки из нанокристаллического оксида церия (IV) диаметром около 0,75 мкм можно использовать для каталитических реакций, например для прямого карбоксилирования метанола диоксидом углерода с образованием диметилкарбоната .

Мантии

Оптимальный световой выход может быть достигнут при использовании смеси примерно 99% оксида тория (IV) и 1% оксида церия (IV). Он используется при производстве колпачков для газовых ламп (газовые лампы накаливания или лампы Ауэра ) путем их замачивания в соответствующих растворах нитратов . При горении образуются оксиды, которые обеспечивают высокую светоотдачу.

Абразивы

Полирующее средство на основе оксида церия (IV) используется в качестве опала в оптической промышленности для полировки стекол. Обычно он поставляется в виде сухого белого порошка и имеет плотность около 1,6 г / см³. Средний размер зерна составляет около 1 мкм. Суспензия для полировки , сделанная на деионизированной воде, содержит примерно 60 г опалина на литр воды.

Точно так же полирующие суспензии на основе оксида церия (IV) также используются в полупроводниковой технологии. В основном они используются для химико-механической полировки (ХМП) диоксида кремния. Однако средний размер зерна значительно меньше, он составляет всего около 50–150 нм. Поскольку частицы оксида церия (IV) осаждаются относительно быстро, для стабилизации суспензии используются органические добавки, такие как полиэлектролиты . Существуют также коммерческие продукты, в которых используются другие органические вещества, такие как определенные аминокислоты , для достижения повышенной селективности материала между скоростями удаления диоксида кремния и нитрида кремния. Предпосылкой является то, что слои нитрида кремния используются в качестве стопорного слоя в SiO 2 -CMP и не должны удаляться во время полировки, если это возможно.

Способствовать

Процесс оксид церия (IV) - оксид церия (III) разрабатывается для будущего производства водорода с использованием солнечной энергии .

CeO 2 также используется в качестве поглотителя УФ-излучения в красках . Это способствует повышению светостойкости открытых поверхностей; В противном случае УФ-излучение разложит краски .

Оценка рисков

В 2015 году оксид церия (IV) был включен в текущий план действий ЕС ( CoRAP ) в соответствии с Регламентом (ЕС) № 1907/2006 (REACH) в рамках оценки вещества . Воздействие вещества на здоровье человека и окружающую среду повторно оценивается и, при необходимости, принимаются последующие меры. Поглощение оксида Cer (IV) было вызвано опасениями по поводу кумулятивного воздействия , воздействия окружающей среды , других опасностей, связанных с опасностями и широким использованием, а также потенциальной опасности канцерогенных и мутагенных свойств. Переоценка будет проводиться Германией с 2020 года .

литература

  • Пол Траст , Майкл Шиммельс : Введение в химию - на простейшей основе; Часть II Систематика неорганической химии на основе Периодической таблицы основных материалов . 2-е издание Herrosé, Wiesbaden 1956.
  • Новая Британская энциклопедия; Macropæedia Vol. 15- е 15- е изд. Британская энциклопедия, Inc., 1974.

Индивидуальные доказательства

    Эта страница последний раз была отредактирована 26 мая 2021 в 19:34.

Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).

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]

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Производство
  • 2 Структура и поведение при дефектах
    • 2.1 Химия дефектов
    • 5.1 Полировка
    • 5.2 Оптика
    • 5.3 Смешанная проводимость
    • 5.4 Биомедицинские приложения
    • 6.1 Фотокатализ
    • 6.2 Топливные элементы
    • 6.3 Разделение воды
    • 6.4 Антиоксидант

    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
    2 О
    3 , который нестабилен и окисляется до оксида церия (IV). [3]

    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 Ce 3+
    в Ce 4+
    .

    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 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]

    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 приложениях, включающих органические соединения и селективный синтез. [19]

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

    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].

    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.

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

    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 ]

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

    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]

    Читайте также: