酸化セリウム(IV)

酸化セリウム(IV)は、セリウム酸化物、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。淡黄白色の粉末で、化学式はCeO ₂です。重要な商業製品であり、鉱石から元素を精製する際の中間体でもあります。^{[ 3 ]} この物質の特徴的な性質は、非化学量論的酸化物への可逆的な変換です。

セリウムは酸化物として天然に存在し、常に他の希土類元素との混合物として産出する。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、pHを調整することによって、その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る。

セリウムは酸化セリウム(III)も形成する。₂ O₃は空気中で酸化されて酸化セリウム(IV)になる。 ^{[ 3 ] [ 4 ]}

酸化セリウムは蛍石構造（空間群Fm3m 、 #225）をとり、8配位のCe4 ⁺と4配位のO2−^を含む。高温では酸素を放出し、非化学量論的な陰イオン欠損型となり、蛍石格子構造を保持する。^{[ 5 ]} この物質の式はCeO _{(2− x )}で、0 < x < 0.28である。^{[ 6 ]} xの値は、温度、表面終端、酸素分圧に依存する。

${\displaystyle {\frac {x}{0.35-x}}=\left({\frac {106\,000{\text{ Pa}}}{P_{\mathrm {O} _{2}}}}\right)^{0.217}\exp \left({\frac {-195.6{\text{ kJ/mol}}}{RT}}\right)}$

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。 ^{[ 7 ]} 

非化学量論的形態は、青から黒の外観を示し、イオン伝導と電子伝導の両方を示し、500 °C を超える温度ではイオン伝導が最も顕著である 。^{[ 8 ]}

酸素空孔の数は、Ce ³⁺の比率を比較するために、X 線光電子分光法を用いて測定されることが多い。Ce ⁴⁺へ。

酸素の損失は溶融液体状態まで続き、局所的なCe-O配位数は、化学量論的蛍石構造の8配位数と比較して、主に6配位数に減少します。酸素ポテンシャルの違いを考慮に入れると、これはプルトニウム酸化物と直接類似していることが示されています。^{[ 9 ]}

セリウム(IV)酸化物は、鉱物セリアナイト-(Ce)として天然に産出する。^{[ 14 ] [ 15 ]}これは、四価セリウム鉱物のまれな例であり、他の例としてはステチンダイト-(Ce)とダイナサイト-(La)がある。接尾辞「-(Ce)」はレビンソン修飾子として知られており、構造内の特定のサイトでどの元素が優勢であるかを示すために使用される。^{[ 16 ]}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)の産出は、セリウム異常の例と関連しており、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、セリアナイト-(Ce)以外の鉱物の構造に適合する。^{[ 17 ] [ 14 ] [ 15 ]}

セリアの主な工業用途は研磨、特に化学機械研磨（CMP）です。^{[ 3 ]}この目的のために、酸化鉄やジルコニア など、以前使用されていた他の多くの酸化物に取って代わりました。趣味家の間では、「眼鏡研磨剤」としても知られています。^{[ 18 ] [ 19 ]}

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 ]}

その他のニッチな用途や新興の用途

触媒作用

CeO _2は不均一触媒の分野で注目を集めています。水性ガスシフト反応を触媒します。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。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

_{CeO x}材料の相互変換性は、酸化触媒としてセリアを使用する基礎となっている。小規模ながら分かりやすい使用例としては、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することが挙げられる。もう 1 つの小規模ながら有名な例は、ガス マントルでの天然ガスの酸化における役割である。^{[ 24 ]}

セリアは、その独特な表面相互作用に基づいて、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利用され、空気と排気の比率を制御してNOx_と一酸化炭素の排出量を削減します。^{[ 25 ]}

エネルギーと燃料

酸化セリウムはイオン伝導性と電子伝導性が非常に高いため、混合導体として適している。^{[ 26 ]}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）の材料として注目されている。^{[ 27 ]}

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。^{[ 28 ] [ 29 ]}このプロセスは、システム間の酸素空孔を利用するため、水中のセリアが水酸基(OH)を形成することができます。^{[ 30 ]}水酸基は、酸素が酸化されるときに放出され、クリーンエネルギー源となります。

光学

酸化セリウムは、その優れた研磨能力により光学業界で高く評価されています。^{[ 31 ]}機械的研磨と化学的反応の両方によって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 ]}また、酸化セリウムは、傷や環境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向上させることもできます。 ^{[ 33 ]}

酸化セリウムは赤外線フィルターや白熱灯マントル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に添加される添加剤です。純タングステン電極に比べて、電極の消耗率の低減、アークの始動と安定性の向上など、多くの利点があります。酸化セリウム電極は1987年に米国市場に初めて導入され、交流、直流正極、直流負極のいずれの溶接方式にも使用できます。

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について研究されてきた。^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

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有望な代替品である。^{[ 38 ]}

• セリウム
• セリウム異常
• ジルコン

• シェフィールド大学のWebElements
• 酸化セリウムの合成と性質（英語／ロシア語）