Óxido de cerio (IV)
Oxido de Cerium(IV), también conocido como óxido cerámico, dióxido de carbono, ceria, óxido de cercio o dióxido de cercio, es un óxido del cercio de metal rara-tierra. Es un pálido polvo amarillo-blanco con la fórmula química CeO2. Es un producto comercial importante y un intermediario en la purificación del elemento de los ores. La característica distintiva de este material es su conversión reversible a un óxido no estoichiométrico.
Producción
El cerio se presenta naturalmente en forma de óxidos, siempre como mezcla con otros elementos de tierras raras. Sus principales minerales son bastnasita y monacita. Después de la extracción de los iones metálicos en una base acuosa, el Ce se separa de esa mezcla mediante la adición de un oxidante seguido del ajuste del pH. Este paso aprovecha la baja solubilidad del CeO2 y el hecho de que otros elementos de tierras raras resisten la oxidación.
El óxido de cerio (IV) se forma mediante la calcinación de oxalato de cerio o hidróxido de cerio.
El cerio también forma óxido de cerio (III), Ce
2O
3, que es inestable y se oxidará a óxido de cerio(IV).
Estructura y comportamiento de los defectos
El óxido de cerio adopta la estructura de fluorita, grupo espacial Fm3m, #225 que contiene Ce4+ de 8 coordenadas y 4 -coordenada O2−. A altas temperaturas, libera oxígeno para dar una forma no estequiométrica y deficiente aniónica que retiene la red de fluorita. Este material tiene la fórmula CeO(2−x), donde 0 < x < 0,28. El valor de x depende tanto de la temperatura, la terminación de la superficie y la presión parcial de oxígeno. La ecuacion
- x0,355− − x=()106000 PaPO2)0,217exp ()− − 195.6 kJ/molRT){displaystyle {frac {x}{0.35-x}=left({frac {106,000{text{ Pa}}{mathrm {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicroc {-195.6{text{ kJ/mol}}}}}}right)}
predice la no estequiometría de equilibrio x en un amplio rango de presiones parciales de oxígeno (103–10−4 Pa) y temperaturas (1000–1900 °C).
La forma no-stoichiométrica tiene un color azul a negro, y exhibe conducción iónica y electrónica con ser iónica la más significativa a temperaturas de 500 °C.
El número de vacantes de oxígeno se mide con frecuencia mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para comparar la proporción de Ce3+
>a Ce4+
.
Química de defectos
En la fase de fluorita más estable de la ceria, presenta varios defectos dependiendo de la presión parcial de oxígeno o del estado de tensión del material.
Los principales defectos que preocupan son las vacantes de oxígeno y los pequeños polarones (electrones localizados en cationes de cerio). El aumento de la concentración de defectos de oxígeno aumenta la velocidad de difusión de los aniones de óxido en la red, lo que se refleja en un aumento de la conductividad iónica. Estos factores dan a la ceria un rendimiento favorable en aplicaciones como electrolito sólido en pilas de combustible de óxido sólido. La ceria dopada y no dopada también exhibe una alta conductividad electrónica a bajas presiones parciales de oxígeno debido a la reducción del ion cerio que conduce a la formación de pequeños polarones. Dado que los átomos de oxígeno en un cristal de ceria se encuentran en planos, la difusión de estos aniones es fácil. La velocidad de difusión aumenta a medida que aumenta la concentración del defecto.
La presencia de vacantes de oxígeno en los planos terminales de la ceria gobierna la energía de las interacciones de la ceria con las moléculas de adsorbato y su humectabilidad. Controlar dichas interacciones superficiales es clave para aprovechar la ceria en aplicaciones catalíticas.
Ocurrencia natural
El óxido de cerio (IV) se produce naturalmente como el mineral cerianita-(Ce). Es un raro ejemplo de mineral de cerio tetravalente, siendo los otros ejemplos la estetindita-(Ce) y la dirnaesita-(La). El "-(Ce)" El sufijo se conoce como modificador de Levinson y se utiliza para mostrar qué elemento domina en un sitio particular de la estructura. A menudo se encuentra en nombres de minerales que contienen elementos de tierras raras (REE). La aparición de cerianita-(Ce) está relacionada con algunos ejemplos de anomalía del cerio, donde el Ce, que se oxida fácilmente, se separa de otros REE que permanecen trivalentes y, por lo tanto, se adaptan a estructuras de otros minerales distintos de la cerianita-(Ce).
Aplicaciones
El cerio tiene dos aplicaciones principales, que se enumeran a continuación.
La principal aplicación industrial de la ceria es el pulido, especialmente la planarización químico-mecánica (CMP). Para ello, ha desplazado a muchos otros óxidos que se utilizaban anteriormente, como el óxido de hierro y el circonio. Para los aficionados, también se le conoce como "ópticos' colorete".
En su otra aplicación principal, el CeO2 se utiliza para decolorar el vidrio. Funciona convirtiendo impurezas ferrosas teñidas de verde en óxidos férricos casi incoloros.
Otras aplicaciones emergentes y de nicho
Catálisis
ElCeO2 ha atraído mucha atención en el área de la catálisis heterogénea. Cataliza la reacción de cambio agua-gas. Oxida el monóxido de carbono. Su derivado reducido Ce2O3 reduce el agua, con liberación de hidrógeno.
La interconvertibilidad de los materiales CeOx es la base del uso de ceria como catalizador de oxidación. Un uso pequeño pero ilustrativo es su uso en las paredes de hornos autolimpiantes como catalizador de oxidación de hidrocarburos durante el proceso de limpieza a alta temperatura. Otro ejemplo a pequeña escala pero famoso es su papel en la oxidación del gas natural en mantos de gas.
Aprovechando sus distintas interacciones superficiales, la ceria encuentra un uso adicional como sensor en convertidores catalíticos en aplicaciones automotrices, controlando la relación aire-escape para reducir las emisiones de NOx y monóxido de carbono.
Energía y energía combustibles
Debido a la importante conducción iónica y electrónica del óxido de cerio, es muy adecuado para ser utilizado como conductor mixto. Como tal, el óxido de cerio es un material de interés para las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) en comparación con el óxido de circonio.
Thermochemically, the cerium(IV) oxide-cerium(III) o ciclo de óxido o CeO2/Ce2O3 ciclo es un proceso de división de agua de dos pasos que se ha utilizado para la producción de hidrógeno. Debido a que aprovecha las vacantes de oxígeno entre los sistemas, esto permite a la ceria en el agua formar grupos hidroxilo (OH). Los grupos hidroxilos pueden ser liberados como oxidiza el oxígeno, proporcionando así una fuente de energía limpia.
Óptica
El óxido de cerio ha encontrado uso en filtros infrarrojos y como reemplazo del dióxido de torio en mantos incandescentes.
Soldadura
El óxido de cerio se utiliza como complemento a los electrodos de tungsteno para la soldadura por arco de tungsteno con gas. Proporciona ventajas sobre los electrodos de tungsteno puro, como la reducción de la tasa de consumo del electrodo y un arranque y encendido del arco más sencillo. estabilidad. Los electrodos Ceria se introdujeron por primera vez en el mercado estadounidense en 1987 y son útiles en CA, electrodo positivo de CC y electrodo negativo de CC.
Aspectos de seguridad
Las nanopartículas de óxido de cerio (nanoceria) han sido investigadas por su actividad antibacteriana y antioxidante.
La nanoceria es un posible sustituto del óxido de zinc y el dióxido de titanio en los protectores solares, ya que tiene menor actividad fotocatalítica.