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| 名前 | |
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| IUPAC名
酸化セリウム(IV)
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| その他の名前
酸化セリウム、
セリア、 二酸化セリウム | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.013.774 |
パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| セリウム2 | |
| モル質量 | 172.115グラム/モル |
| 外観 | 白色または淡黄色の固体、 わずかに吸湿性がある |
| 密度 | 7.215グラム/ cm3 |
| 融点 | 2,400 °C (4,350 °F; 2,670 K) |
| 沸点 | 3,500 °C (6,330 °F; 3,770 K) |
| 不溶性の | |
磁化率（χ）
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+26.0·10 −6 cm 3 /モル |
| 構造 | |
| 立方晶系、cF12（蛍石）[1] | |
| Fm 3 m、#225 | |
a = 5.41 Å [2]、b = 5.41 Å、c = 5.41 Å α＝90°、β＝90°、γ＝90°
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| Ce、8、立方晶 O、4、四面体 | |
| 危険 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
| 関連化合物 | |
関連化合物
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酸化セリウム(III) |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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酸化セリウム(IV)は、酸化セリウム、二酸化セリウム、セリア、酸化セリウム、二酸化セリウムとも呼ばれ、希土類金属セリウムの酸化物です。化学式 CeO 2の淡黄白色の粉末です。重要な商品であり、鉱石から元素を精製する際の中間体です。この物質の特徴的な特性は、非化学量論的酸化物への可逆的な変換です。
生産
セリウムは天然には酸化物として存在し、常に他の希土類元素との混合物である。主な鉱石はバストネサイトとモナザイトである。金属イオンを水性塩基に抽出した後、酸化剤を添加してpHを調整することで、混合物からセリウムを分離する。この工程では、CeO 2の溶解度が低いことと、他の希土類元素が酸化されにくいという事実を利用している。[3]
酸化セリウム(IV)は、シュウ酸セリウムまたは水酸化セリウムの焼成によって生成されます。
セリウムはセリウム(III)酸化物、Ceも形成します
2お
3これは不安定で酸化セリウム(IV)に酸化される。[4]
特徴
CeO 2は、最も広く研究されているセリウムの酸化物の 1 つです。CeO 2はセリウムの最も酸化された形態であり、4f 状態は O 2p 状態と強く混成し、4f 電子を非局在化します。これらの状態は、数 eV の領域に広がる広い分散バンドを形成し、理論的手法を使用して正確に検出できます。[5]
構造と欠陥挙動
酸化セリウムは、8配位のCe 4+と4配位のO 2−を含む蛍石構造、空間群Fm 3 m、#225を採用しています。高温では酸素を放出し、蛍石格子を保持する非化学量論的な陰イオン欠損型になります。 [6] この物質の化学式はCeO (2− x )で、0 < x < 0.28です。[7] xの値は、温度、表面終端、酸素分圧の両方に依存します。式
広範囲の酸素分圧（10 3 –10 −4 Pa）と温度（1000–1900 °C）にわたって平衡非化学量論xを予測できることが示されている。 [8]
非化学量論的形態は青から黒色をしており、イオン伝導と電子伝導の両方を示し、500℃を超える温度ではイオン伝導が最も顕著になります。[9]
酸素空孔の数は、X線光電子分光法を用いてCeの比率を比較することによって測定されることが多い。3歳以上
Ceへ4歳以上
。
欠陥化学
セリアの最も安定した蛍石相では、酸素分圧や材料の応力状態に応じていくつかの欠陥が現れる。[10] [11] [12] [13]
懸念される主な欠陥は、酸素空孔と小さなポーラロン（セリウム陽イオン上に局在する電子）である。酸素欠陥の濃度が増加すると、格子内の酸化物陰イオンの拡散速度が増加し、イオン伝導率の増加に反映される。これらの要因により、セリアは固体酸化物燃料電池の固体電解質としての用途で好ましい性能を発揮する。ドープされていないセリアとドープされたセリアは、セリウムイオンが還元されて小さなポーラロンが形成されるため、酸素分圧が低い場合でも高い電子伝導性を示す。セリア結晶内の酸素原子は平面状に存在するため、これらの陰イオンの拡散は容易である。拡散速度は欠陥濃度が増加するにつれて増加する。
セリアの末端面における酸素空孔の存在は、セリアと吸着分子との相互作用のエネルギー特性と濡れ性を左右する。このような表面相互作用を制御することが、触媒用途におけるセリアの利用の鍵となる。[14]
自然発生
セリウム(IV)酸化物は、天然にはセリアナイト(Ce)鉱物として産出する。[15] [16]これは四価セリウム鉱物の稀な例であり、他の例はステチンダイト(Ce)およびダイナマイト(La)である。接尾辞「-(Ce)」はレビンソン修飾語として知られ、構造内の特定の場所でどの元素が優勢であるかを示すために使用される。[17]これは希土類元素(REE)を含む鉱物の名前によく見られる。セリアナイト(Ce)の発生は、セリウム異常のいくつかの例と関連しており、そこでは容易に酸化されるCeが三価のままである他のREEから分離され、したがってセリアナイト(Ce)以外の鉱物の構造に適合する。[18] [15] [16]
アプリケーション
セリウムには主に 2 つの用途があり、以下に示します。
セリアの主な工業用途は研磨、特に化学機械研磨（CMP）である。[3]この目的のために、セリアは酸化鉄やジルコニア など、これまで使用されていた他の多くの酸化物に取って代わった。愛好家の間では「眼鏡職人のルージュ」としても知られている。[19] [20]
CeO 2のもう一つの主な用途は、ガラスの脱色です。緑色の鉄不純物をほぼ無色の酸化鉄に変換することで機能します。[3]
その他のニッチおよび新興アプリケーション
触媒
CeO 2 は不均一触媒の分野で大きな注目を集めています。水性ガス転換反応を触媒します。一酸化炭素を酸化します。その還元誘導体である Ce 2 O 3 は水を還元し、水素を放出します。[21] [22] [23] [24]
CeO x材料の相互変換性は、酸化触媒としてのセリアの使用の基礎です。小規模ですが代表的な使用例としては、高温洗浄プロセス中の炭化水素酸化触媒としてセルフクリーニングオーブンの壁に使用されることが挙げられます。もう 1 つの小規模ですが有名な例は、ガスマントル内の天然ガスの酸化における役割です。[25]
セリアは、その独特な表面相互作用を利用して、自動車用途の触媒コンバーターのセンサーとしてさらに使用され、空気と排気の比率を制御してNOxと一酸化炭素の排出を削減します。[ 26 ]
エネルギーと燃料
酸化セリウムはイオン伝導性および電子 伝導性に優れているため、混合伝導体として使用するのに適しています。[27]そのため、酸化セリウムは、酸化ジルコニウムと比較して、固体酸化物燃料電池（SOFC）に適した材料です。[28]
熱化学的には、セリウム(IV)酸化物-セリウム(III)酸化物サイクル、またはCeO 2 /Ce 2 O 3サイクルは、水素製造に使用されている2段階の水分解プロセスです。[29]システム間の酸素空孔を利用するため、水中のセリウムはヒドロキシル(OH)基を形成できます。[30]その後、ヒドロキシル基は酸素が酸化されるにつれて放出され、クリーンなエネルギー源を提供します。
光学
酸化セリウムは、その優れた研磨能力から光学業界で高く評価されています。[31]機械的な研磨と化学的な相互作用の両方により、ガラス表面の小さな傷や欠陥を効果的に除去し、滑らかで光沢のある仕上がりを実現します。[32]酸化セリウムは、傷や環境による摩耗に対する耐性を高める保護層を形成することで、光学表面の耐久性を高めることもできます。 [33]
酸化セリウムは赤外線フィルターや白熱灯の二酸化トリウムの代替品としても使用されている[34]
溶接
酸化セリウムは、ガス タングステン アーク溶接用のタングステン電極の添加物として使用されます。純粋なタングステン電極に比べて、電極の消費率の低減、アークの始動性および安定性の向上などのメリットがあります。セリア電極は 1987 年に米国市場で初めて導入され、AC、DC 電極プラス、DC 電極マイナスで使用できます。
安全面
酸化セリウムナノ粒子（ナノセリア）は抗菌作用と抗酸化作用があるかどうか研究されている。[35] [36] [37] [38]
ナノセリアは光触媒活性が低いため、日焼け止めにおける酸化亜鉛や二酸化チタンの代替品として有望視されている。[39]
参照
参考文献
- ^ プラディオット・パトナイク『無機化学ハンドブック』マグロウヒル、2002年、ISBN 0-07-049439-8
- ^ EA KümmerleとG. Heger、「C-Ce2O3+δ、Ce7O12、およびCe11O20の構造」、Journal of Solid State Chemistry、vol. 147、no. 2、pp. 485–500、1999年。
- ^ abc ラインハルト、クラウス;ウィンクラー、ヘルヴィッヒ (2000)。 「セリウムミッシュメタル、セリウム合金、セリウム化合物」。ウルマンの工業化学百科事典。ワインハイム: ワイリー-VCH。土井：10.1002/14356007.a06_139。ISBN 978-3527306732。。
- ^ 「化学物質の標準熱力学的性質」(PDF)。2013年10月29日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ Herper, Heike C; Vekilova, Olga Yu; Simak, Sergei I; Di Marco, Igor; Eriksson, Olle (2020-02-25). 「セリウム酸化物の4f状態の局所的特性と遍歴的特性」。Journal of Physics: Condensed Matter . 32 (21): 215502. doi :10.1088/1361-648x/ab6e92. ISSN 0953-8984.
- ^ 酸化セリウム表面の DFT 研究 応用表面科学 2019 vol 478
- ^ 非金属固体の欠陥と欠陥プロセス、ウィリアム・ヘイズ著、AMストーンハム・クーリエ・ドーバー出版、2004年。
- ^ Bulfin, B.; Lowe, AJ; Keogh, KA; Murphy, BE; Lübben, O.; Krasnikov, SA; Shvets, IV (2013). 「CeO 2の酸化と還元の分析モデル」. The Journal of Physical Chemistry C . 117 (46): 24129–24137. doi :10.1021/jp406578z. hdl : 2262/76279 .
- ^ Ghillanyova, K.; Galusek, D. (2011). 「第 1 章: セラミック酸化物」。Riedel, Ralf、Chen, I-Wie (編)。セラミックスの科学と技術、材料と特性、第 2 巻。John Wiley & Sons。ISBN 978-3-527-31156-9。
- ^ Munnings, C.; Badwal, SPS; Fini, D. (2014). 「室温でのGdドープセリア中のCeイオンの応力誘起自発酸化」Ionics . 20 (8): 1117–1126. doi :10.1007/s11581-014-1079-2. S2CID 95469920.
- ^ Badwal, SPS; Daniel Fini; Fabio Ciacchi; Christopher Munnings; Justin Kimpton; John Drennan (2013). 「高温燃料電池の還元環境に曝露されたセリア-ガドリニア電解質の構造的および微細構造的安定性」J. Mater. Chem. A . 1 (36): 10768–10782. doi :10.1039/C3TA11752A.
- ^ Anandkumar, Mariappan; Bhattacharya, Saswata; Deshpande, Atul Suresh (2019-08-23). 「単相多成分フッ素酸化物ナノ粒子ゾルの低温合成および特性評価」RSC Advances . 9 (46): 26825–26830. Bibcode :2019RSCAd...926825A. doi : 10.1039/C9RA04636D . ISSN 2046-2069. PMC 9070433. PMID 35528557 .
- ^ Pinto, Felipe M (2019). 「還元性酸化物の酸素欠陥と表面化学」. Frontiers in Materials . 6 : 260. Bibcode :2019FrMat...6..260P. doi : 10.3389/fmats.2019.00260 . S2CID 204754299.
- ^ Fronzi, Marco; Assadi, M. Hussein N.; Hanaor, Dorian AH (2019). 「低指数CeO2表面の疎水性に関する理論的洞察」(PDF) .応用表面科学. 478 : 68–74. arXiv : 1902.02662 . Bibcode :2019ApSS..478...68F. doi :10.1016/j.apsusc.2019.01.208. S2CID 118895100.
- ^ ab "Cerianite-(Ce)". www.mindat.org . 2020年11月12日閲覧。
- ^ ab 「鉱物一覧」www.ima-mineralogy.org 2011-03-21 . 2020-11-12閲覧。
- ^ Burke, Ernst (2008). 「鉱物名における接尾辞の使用」(PDF) . Elements . 4 (2): 96.
- ^ Pan, Yuanming; Stauffer, Mel R. (2000). 「1.85 Ga Flin Flon 古土壌におけるセリウム異常と Th/U 分別: REE および U に富む付属鉱物からの手がかりと古大気再構築への影響」American Mineralogist . 85 (7): 898–911. Bibcode :2000AmMin..85..898P. doi :10.2138/am-2000-0703. S2CID 41920305.
- ^ 「一般的な研磨剤の特性（ボストン美術館）」（PDF）。
- ^ 「酸化セリウム - CAMEO」。cameo.mfa.org。
- ^ Ruosi Peng; et a . (2018). 「Pt/CeO2触媒によるトルエンの触媒酸化に対するPtナノ粒子のサイズ効果」。応用触媒B:環境。220 :462。Bibcode :2018AppCB.220..462P。doi : 10.1016/ j.apcatb.2017.07.048。
- ^ モンティーニ、ティツィアーノ;メルキオナ、ミケーレ。モナイ、マッテオ。フォルナシエロ、パオロ (2016)。 「CeO 2ベースの材料の基礎と触媒応用」。化学レビュー。116 (10): 5987–6041。土井：10.1021/acs.chemrev.5b00603。hdl : 11368/2890051。PMID 27120134。
- ^ Paier, Joachim; Penschke, Christopher; Sauer, Joachim (2013). 「セリアの酸素欠陥と表面化学: 実験と比較した量子化学研究」.化学レビュー. 113 (6): 3949–3985. doi :10.1021/cr3004949. PMID 23651311.
- ^ Gorte, Raymond J. (2010). 「触媒におけるセリア: 自動車用途から水性ガスシフト反応まで」AIChE Journal . 56 (5): 1126–1135. Bibcode :2010AIChE..56.1126G. doi :10.1002/aic.12234.
- ^ グリーンウッド、ノーマン N. ; アーンショウ、アラン (1997)。元素の化学(第 2 版)。バターワース-ハイネマン。ISBN 978-0-08-037941-8。
- ^ Twigg, Martyn V. (2011). 「自動車からの排出ガスの触媒制御」. Catalysis Today . 163 : 33–41. doi :10.1016/j.cattod.2010.12.044.
- ^ 「混合導体」マックス・プランク固体研究所。 2016年9月16日閲覧。
- ^ Arachi, Y. (1999年6月). 「ZrO2–Ln2O3 (Ln=ランタニド) システムの電気伝導率」.固体イオニクス. 121 (1–4): 133–139. doi :10.1016/S0167-2738(98)00540-2.
- ^ 「太陽熱化学水分解サイクルによる水素生成」。SolarPACES 。 2009年8月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「水素製造における酸化セリウムの役割に関する新たな発見」Ceric . 2018-07-01 . 2022-09-22閲覧。
- ^ 「携帯電話の画面の傷を除去するための酸化セリウム」スタンフォード先端材料。 2024年7月1日閲覧。
- ^ Janos, Pavel; Ederer, Jakub (2016). 「酸化セリウムによる化学機械ガラス研磨：選択された物理化学的特性が研磨効率に与える影響」Wear . 362–363: 114–120. doi :10.1016/j.wear.2016.05.020.
- ^ Hockey, BJ; Roy, Rice 編 (1979)。セラミック加工および表面仕上げの科学 II: 1978 年 11 月 13 ～ 15 日にメリーランド州ゲイサーズバーグの国立標準局で開催されたシンポジウムの議事録。ミシガン大学図書館。p. 425。ASIN B0030T20RY 。
- ^ 「二酸化セリウム」DaNa。2013年3月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Rajeshkumar, S .; Naik, Poonam (2018). 「酸化セリウムナノ粒子の合成と生物医学的応用 – レビュー」。 バイオテクノロジーレポート。17 :1–5。doi : 10.1016 / j.btre.2017.11.008。ISSN 2215-017X。PMC 5723353。PMID 29234605。
- ^ Karakoti, AS; Monteiro-Riviere, NA; Aggarwal, R.; Davis, JP; Narayan, RJ; Self, WT; McGinnis, J.; Seal, S. (2008). 「抗酸化物質としてのナノセリア：合成と生物医学的応用」JOM . 60 (3): 33–37. Bibcode :2008JOM....60c..33K. doi :10.1007/s11837-008-0029-8. PMC 2898180. PMID 20617106 .
- ^ Rajeshkumar , S.; Naik, Poonam (2017-11-29). 「酸化セリウムナノ粒子の合成と生物医学的応用 – レビュー」。 バイオテクノロジーレポート。17 :1–5。doi : 10.1016 / j.btre.2017.11.008。ISSN 2215-017X。PMC 5723353。PMID 29234605。
- ^ Hussain S, Al-Nsour F, Rice AB, Marshburn J, Yingling B, Ji Z, Zink JI, Walker NJ, Garantziotis S (2012). 「二酸化セリウムナノ粒子はヒト末梢血単球のアポトーシスとオートファジーを誘導する」. ACS Nano . 6 (7): 5820–9. doi :10.1021/nn302235u. PMC 4582414. PMID 22717232 .
- ^ Zholobak, NM; Ivanov, VK; Shcherbakov, AB; Shaporev, AS; Polezhaeva, OS; Baranchikov, A.Ye.; Spivak, N.Ya.; Tretyakov, Yu.D. (2011). 「セリアコロイド溶液の紫外線遮蔽特性、光触媒活性、光細胞毒性」。Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology . 102 (1): 32–38. Bibcode :2011JPPB..102...32Z. doi :10.1016/j.jphotobiol.2010.09.002. PMID 20926307.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、酸化セリウム(IV)に関連するメディアがあります。
- シェフィールド大学の Webelements
- セリアの合成と特性（英語/ロシア語）