Cer(IV)-oxid - Cerium(IV) oxide
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| Namen | |
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IUPAC-Name
Cer(IV)-oxid
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| Andere Namen
Ceroxid,
Ceroxid, Cerdioxid |
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| Bezeichner | |
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3D-Modell ( JSmol )
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| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| ECHA-InfoCard |
100.013.774 
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PubChem- CID
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| UNII | |
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CompTox-Dashboard ( EPA )
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| Eigenschaften | |
| CeO 2 | |
| Molmasse | 172,115 g/mol |
| Aussehen | weiß oder blassgelb fest, leicht hygroskopisch |
| Dichte | 7,215 g / cm 3 |
| Schmelzpunkt | 2.400 °C (4.350 °F; 2.670 K) |
| Siedepunkt | 3.500 °C (6.330 °F; 3.770 K) |
| unlöslich | |
| +26,0·10 -6 cm 3 /mol | |
| Struktur | |
| kubisches Kristallsystem , cF12 ( Fluorit ) | |
| FM 3 m, #225 | |
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a = 5,41 , b = 5,41 Å, c = 5,41 Å
α = 90°, β = 90°, γ = 90°
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| Ce, 8, kubisches O, 4, tetraedrisch |
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| Gefahren | |
| NFPA 704 (Feuerdiamant) | |
| Verwandte Verbindungen | |
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Verwandte Verbindungen
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Cer(III)-oxid |
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Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
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 überprüfen ( was ist ?)
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| Infobox-Referenzen | |
Cerium (IV) -oxid , auch bekannt als Ceroxid , Cerdioxid , Ceroxid , Ceroxid oder Cer - Dioxid , ist ein Oxid des Seltenerdmetalls Cer . Es ist ein blassgelb-weißes Pulver mit der chemischen Formel CeO 2 . Es ist ein wichtiges Handelsprodukt und ein Zwischenprodukt bei der Reinigung des Elements aus den Erzen. Die besondere Eigenschaft dieses Materials ist seine reversible Umwandlung in ein nichtstöchiometrisches Oxid .
Produktion
Cer kommt natürlicherweise als Mischung mit anderen Seltenerdelementen in seinen Haupterzen Bastnaesit und Monazit vor . Nach der Extraktion der Metallionen in eine wässrige Base wird Ce aus dieser Mischung durch Zugabe eines Oxidationsmittels und anschließende Einstellung des pH-Wertes abgetrennt. Dieser Schritt nutzt die geringe Löslichkeit von CeO 2 und die Tatsache, dass andere Seltenerdelemente der Oxidation widerstehen.
Cer(IV)-oxid wird durch die Kalzinierung von Ceroxalat oder Cerhydroxid gebildet .
Cer bildet auch Cer(III)-oxid , Ce
2Ö
3, das instabil ist und zu Cer(IV)-oxid oxidiert.
Struktur und Fehlerverhalten
Ceroxid nimmt die Fluoritstruktur an , Raumgruppe Fm 3 m, #225 mit 8-koordiniertem Ce 4+ und 4-koordiniertem O 2– . Bei hohen Temperaturen setzt es Sauerstoff frei, um eine nicht-stöchiometrische, anionenarme Form zu ergeben , die das Fluoritgitter beibehält. Dieses Material hat die Formel CeO (2− x ) mit 0 < x < 0,28. Der Wert von x hängt sowohl von der Temperatur, dem Oberflächenabschluss und dem Sauerstoffpartialdruck ab. Die gleichung
es wurde gezeigt, dass die Gleichgewichts-Nichtstöchiometrie x über einen weiten Bereich von Sauerstoffpartialdrücken (10 3 –10 –4 Pa) und Temperaturen (1000–1900 °C) vorhergesagt wird.
Die nichtstöchiometrische Form hat eine blaue bis schwarze Farbe und zeigt sowohl ionische als auch elektronische Leitfähigkeit, wobei ionisch bei Temperaturen > 500 °C am signifikantesten ist.
Die Zahl der Sauerstoffleerstellen wird häufig mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie gemessen , um das Verhältnis von Ce3+
nach Ce4+
.
Defekte Chemie
In der stabilsten Fluoritphase von Ceroxid weist es je nach Sauerstoffpartialdruck oder Spannungszustand des Materials mehrere Defekte auf.
Die Hauptdefekte sind Sauerstofffehlstellen und kleine Polaronen (auf Cerkationen lokalisierte Elektronen). Eine Erhöhung der Konzentration von Sauerstoffdefekten erhöht die Diffusionsrate von Oxidanionen im Gitter, was sich in einer Erhöhung der Ionenleitfähigkeit widerspiegelt . Diese Faktoren verleihen Ceroxid eine günstige Leistung bei Anwendungen als Festelektrolyt in Festoxid-Brennstoffzellen . Undotiertes und dotiertes Ceroxid weist aufgrund der Reduktion des Cerions, die zur Bildung kleiner Polaronen führt, auch eine hohe elektronische Leitfähigkeit bei niedrigen Sauerstoffpartialdrücken auf . Da die Sauerstoffatome in einem Ceroxid-Kristall in Ebenen vorkommen, ist die Diffusion dieser Anionen leicht. Die Diffusionsrate nimmt mit zunehmender Defektkonzentration zu.
Das Vorhandensein von Sauerstoff-Leerstellen an terminierenden Ceroxid-Ebenen bestimmt die Energetik der Ceroxid-Wechselwirkungen mit Adsorbatmolekülen und seine Benetzbarkeit . Die Kontrolle solcher Oberflächeninteraktionen ist der Schlüssel zur Nutzung von Ceroxid in katalytischen Anwendungen.
Natürliches Vorkommen
Cer(IV)-oxid kommt in der Natur als Mineral Cerianit-(Ce) vor . Es ist ein seltenes Beispiel für ein vierwertiges Cer-Mineral, die anderen Beispiele sind Stetindit-(Ce) und Dyrnaesit-(La) . Das Suffix "-(Ce)" ist als Levinson-Modifikator bekannt und wird verwendet, um anzuzeigen, welches Element an einer bestimmten Stelle in der Struktur dominiert. Es wird oft in Namen von Mineralien gefunden, die Seltenerdelemente (SEE) enthalten. Das Auftreten von Cerianit-(Ce) hängt mit einigen Beispielen einer Cer-Anomalie zusammen , bei der Ce – das leicht oxidiert wird – von anderen REEs getrennt wird, die dreiwertig bleiben und somit zu Strukturen anderer Mineralien als Cerianit-(Ce) passen.
Katalyse und Oberflächenaktivität
Die primäre neue Anwendung von CeO 2 -Materialien liegt im Bereich der Katalyse. Oberflächen von Ceroxid in seiner stabilsten Fluoritphase werden von den niederenergetischen (111)-Ebenen dominiert, die dazu neigen, eine niedrigere Oberflächenenergie aufzuweisen. Die am häufigsten durch Cer(IV) katalysierte Reaktion ist die Wassergas-Shift- Reaktion, bei der Kohlenmonoxid oxidiert wird . Ceroxid wurde für die Katalyse verschiedener Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktionen untersucht, einschließlich der CO 2 -Methanisierung und der katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie Toluol .
Die Oberflächenfunktionalität von CeO 2 beruht hauptsächlich auf seiner intrinsischen Hydrophobie , einer Eigenschaft, die bei Seltenerdoxiden üblich ist. Die Hydrophobie verleiht den Oberflächen von Katalysatoren tendenziell Beständigkeit gegen Wasserdeaktivierung und erhöht somit die Adsorption organischer Verbindungen. Hydrophobie, die umgekehrt als Organophilie angesehen werden kann, wird im Allgemeinen mit einer höheren katalytischen Leistung in Verbindung gebracht und ist bei Anwendungen mit organischen Verbindungen und selektiver Synthese erwünscht.
Die Interkonvertibilität von CeO x -Materialien ist die Grundlage für die Verwendung von Ceroxid als Oxidationskatalysator. Eine kleine, aber anschauliche Anwendung ist die Verwendung in den Wänden von selbstreinigenden Öfen als Kohlenwasserstoff-Oxidationskatalysator während des Hochtemperatur-Reinigungsprozesses. Ein weiteres kleines, aber berühmtes Beispiel ist seine Rolle bei der Oxidation von Erdgas in Gasmänteln .
Aufbauend auf seinen ausgeprägten Oberflächeninteraktionen findet Ceroxid weitere Verwendung als Sensor in Katalysatoren in Automobilanwendungen, um das Luft-Abgas-Verhältnis zu steuern, um NO x - und Kohlenmonoxid- Emissionen zu reduzieren .
Weitere Anwendungen
Polieren
Die hauptsächliche industrielle Anwendung von Ceroxid ist das Polieren, insbesondere das chemisch-mechanische Planarisieren (CMP). Zu diesem Zweck hat es viele andere früher verwendete Oxide wie Eisenoxid und Zirkonoxid verdrängt . Bei Bastlern ist es auch als "Optiker-Rouge" bekannt.
Optik
CeO 2 wird verwendet, um Glas zu entfärben, indem grün gefärbte Eisenverunreinigungen in fast farblose Eisenoxide umgewandelt werden.
Ceroxid hat in Infrarotfiltern , als oxidierende Spezies in Katalysatoren und als Ersatz für Thoriumdioxid in Glühmänteln Verwendung gefunden
Mischleitung
Aufgrund der signifikanten ionischen und elektronischen Leitfähigkeit von Ceroxid ist es gut geeignet, als gemischter Leiter verwendet zu werden , mit erheblichem Wert in der Brennstoffzellenforschung und -entwicklung.
Biomedizinische Anwendungen
Ceroxid-Nanopartikel (Nanoceria) wurden auf ihre antibakterielle und antioxidative Wirkung untersucht.
Schweißen
Ceroxid wird als Zusatz zu Wolframelektroden für das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen verwendet. Es bietet Vorteile gegenüber reinen Wolframelektroden, wie z. Ceria-Elektroden wurden erstmals 1987 auf dem US-Markt eingeführt und sind für AC-, DC-Elektrode positiv und DC-Elektrode negativ geeignet. Weitere Einzelheiten zu diesen Elektroden finden Sie in ASME BPVC.II.C SFA-5.12 Annex B.
Forschung
Photokatalyse
Obwohl es für sichtbares Licht transparent ist, absorbiert es ultraviolette Strahlung stark, so dass es ein potenzieller Ersatz für Zinkoxid und Titandioxid in Sonnenschutzmitteln ist , da es eine geringere photokatalytische Aktivität aufweist. Seine thermischen katalytischen Eigenschaften müssen jedoch durch Beschichten der Partikel mit amorphem Siliziumdioxid oder Bornitrid verringert werden .
Brennstoffzellen
Cerdioxid ist von Interesse als Material für Festoxid - Brennstoffzellen (SOFC) wegen seiner relativ hohen Sauerstoffionenleitfähigkeit (dh Sauerstoffatome leicht durch sie bewegen) bei Zwischentemperaturen (500-650 ° C) und unteren Verband Enthalpie im Vergleich zu Zirconia System .
Wasserspaltung
Der Cer(IV)-Oxid-Cer(III)-Oxid-Zyklus oder CeO 2 /Ce 2 O 3 -Zyklus ist ein zweistufiger thermochemischer Wasserspaltungsprozess auf Basis von Cer(IV)-Oxid und Cer(III)-Oxid zur Wasserstofferzeugung .
Antioxidans
Nanoceria hat als biologisches Antioxidans Aufmerksamkeit erregt.