stringtranslate.com

Óxido de cerio (IV)

El óxido de cerio (IV) , también conocido como óxido cérico , dióxido cérico , ceria , óxido de cerio o dióxido de cerio , es un óxido del cerio , un metal de tierras raras . Es un polvo de color blanco amarillento pálido con la fórmula química CeO 2 . Es un producto comercial importante y un intermediario en la purificación del elemento a partir de minerales. La propiedad distintiva de este material es su conversión reversible a un óxido no estequiométrico .

Producción

El cerio se presenta naturalmente en forma de óxidos, siempre en mezcla con otros elementos de tierras raras. Sus principales minerales son la bastnasita y la 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 CeO 2 y el hecho de que otros elementos de tierras raras resisten la oxidación. [3]

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
2oh
3, que es inestable y se oxidará formando óxido de cerio(IV). [4]

Estructura y comportamiento de los defectos.

El óxido de cerio adopta la estructura de fluorita , grupo espacial Fm 3 m, #225 que contiene Ce 4+ de 8 coordenadas y O 2− de 4 coordenadas . A altas temperaturas, libera oxígeno para dar una forma no estequiométrica y deficiente aniónica que retiene la red de fluorita. [5] Este material tiene la fórmula CeO (2− x ) , donde 0 < x < 0,28. [6] El valor de x depende tanto de la temperatura, la terminación de la superficie y la presión parcial de oxígeno. La ecuacion

Se ha demostrado que predice la no estequiometría de equilibrio x en un amplio rango de presiones parciales de oxígeno (10 3 –10 −4 Pa) y temperaturas (1000–1900 °C). [7]

La forma no estequiométrica tiene un color de azul a negro y exhibe conducción iónica y electrónica, siendo la iónica la más significativa a temperaturas > 500 °C. [8]

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. [9] [10] [11] [12]

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 ceria gobierna la energía de las interacciones de ceria con las moléculas de adsorbato y su humectabilidad . Controlar dichas interacciones superficiales es clave para aprovechar la ceria en aplicaciones catalíticas. [13]

ocurrencia natural

El óxido de cerio (IV) se produce naturalmente como el mineral cerianita-(Ce) . [14] [15] Es un raro ejemplo de mineral de cerio tetravalente, siendo los otros ejemplos la estetindita-(Ce) y la dirnaesita-(La) . El sufijo "-(Ce)" se conoce como modificador de Levinson y se utiliza para mostrar qué elemento domina en un sitio particular de la estructura. [16] 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). [17] [14] [15]

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). [3] 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 "colorete de óptica". [18] [19]

En su otra aplicación principal, el CeO 2 se utiliza para decolorar el vidrio. Funciona convirtiendo impurezas ferrosas teñidas de verde en óxidos férricos casi incoloros. [3]

Otras aplicaciones emergentes y de nicho

Catálisis

El CeO 2 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 Ce 2 O 3 reduce el agua, con liberación de hidrógeno. [20] [21] [22] [23]

La interconvertibilidad de los materiales CeO x 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 . [24]

Una brillante lámpara de gas blanca Coleman . El elemento incandescente es principalmente ThO 2 dopado con CeO 2 , calentado mediante la oxidación del gas natural con aire catalizada por Ce.

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 . [25]

Energía y combustibles

Debido a la importante conducción iónica y electrónica del óxido de cerio, es muy adecuado para ser utilizado como conductor mixto . [26] 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 . [27]

Termoquímicamente, el ciclo de óxido de cerio (IV)-óxido de cerio (III) o ciclo CeO 2 /Ce 2 O 3 es un proceso de división de agua de dos pasos que se ha utilizado para la producción de hidrógeno . [28] Debido a que aprovecha las vacantes de oxígeno entre sistemas, esto permite que la ceria en agua forme grupos hidroxilo (OH). [29] Los grupos hidroxilo pueden luego liberarse a medida que el oxígeno se oxida, 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 [30].

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 estabilidad del arco más sencillos. 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

Se han investigado las nanopartículas de óxido de cerio (nanoceria) por su actividad antibacteriana y antioxidante. [31] [32] [33] [34]

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 . [35]

Ver también

Referencias

  1. ^ Pradyot Patnaik. Manual de sustancias químicas inorgánicas . McGraw-Hill, 2002, ISBN  0-07-049439-8
  2. ^ EA Kümmerle y G. Heger, “Las estructuras de C-Ce2O3+δ, Ce7O12 y Ce11O20”, Journal of Solid State Chemistry, vol. 147, núm. 2, págs. 485–500, 1999.
  3. ^ abc Reinhardt, Klaus; Winkler, Herwig (2000). "Cerio Mischmetal, aleaciones de cerio y compuestos de cerio". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a06_139. ISBN 978-3527306732..
  4. ^ "Propiedades termodinámicas estándar de sustancias químicas" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 29 de octubre de 2013.
  5. ^ Estudio DFT de superficies de óxido de cerio Ciencia de superficies aplicada 2019 vol 478
  6. ^ Defectos y procesos de defectos en sólidos no metálicos por William Hayes, Publicaciones AM Stoneham Courier Dover, 2004.
  7. ^ Bulfin, B.; Lowe, AJ; Keogh, KA; Murphy, BE; Lübben, O.; Krásnikov, SA; Shvets, IV (2013). "Modelo analítico de oxidación y reducción de CeO 2 ". La Revista de Química Física C. 117 (46): 24129–24137. doi :10.1021/jp406578z. hdl : 2262/76279 .
  8. ^ Ghillanyova, K.; Galusek, D. (2011). "Capítulo 1: Óxidos cerámicos". En Riedel, Ralf; Chen, I-Wie (eds.). Ciencia y Tecnología de la Cerámica, Materiales y Propiedades, vol 2 . John Wiley e hijos . ISBN 978-3-527-31156-9.
  9. ^ Munnings, C.; Badwal, SPS; Fini, D. (2014). "Oxidación espontánea inducida por estrés de iones Ce en ceria dopada con Gd a temperatura ambiente". Iónicos . 20 (8): 1117-1126. doi :10.1007/s11581-014-1079-2. S2CID  95469920.
  10. ^ Badwal, SPS; Daniel Finí; Fabio Ciacchi; Christopher Munnings; Justin Kimpton; John Drennan (2013). "Estabilidad estructural y microestructural del electrolito de ceria - gadolinia expuesto a ambientes reductores de pilas de combustible de alta temperatura". J. Mater. Química. A . 1 (36): 10768–10782. doi :10.1039/C3TA11752A.
  11. ^ Anandkumar, Mariappan; Bhattacharya, Saswata; Deshpande, Atul Suresh (23 de agosto de 2019). "Síntesis y caracterización a baja temperatura de soles de nanopartículas de óxido de fluorita multicomponente monofásicos". Avances de RSC . 9 (46): 26825–26830. Código Bib : 2019RSCAD...926825A. doi : 10.1039/C9RA04636D . ISSN  2046-2069. PMC 9070433 . PMID  35528557. 
  12. ^ Pinto, Felipe M (2019). "Defectos del oxígeno y química superficial de óxidos reducibles". Fronteras en Materiales . 6 : 260. Código Bib : 2019FrMat...6..260P. doi : 10.3389/fmats.2019.00260 . S2CID  204754299.
  13. ^ Fronzi, Marco; Assadi, M. Hussein N.; Hanaor, Dorian AH (2019). "Conocimientos teóricos sobre la hidrofobicidad de superficies de CeO2 de bajo índice" (PDF) . Ciencia de superficies aplicada . 478 : 68–74. arXiv : 1902.02662 . Código Bib : 2019ApSS..478...68F. doi :10.1016/j.apsusc.2019.01.208. S2CID  118895100.
  14. ^ ab "Cerianita-(Ce)". www.mindat.org . Consultado el 12 de noviembre de 2020 .
  15. ^ ab "Lista de minerales". www.ima-mineralogy.org . 2011-03-21 . Consultado el 12 de noviembre de 2020 .
  16. ^ Burke, Ernst (2008). "El uso de sufijos en nombres de minerales" (PDF) . Elementos . 4 (2): 96.
  17. ^ Pan, Yuanming; Stauffer, Mel R. (2000). "Anomalía de cerio y fraccionamiento de Th / U en el Paleosol Flin Flon de 1,85 Ga: pistas de minerales accesorios ricos en REE y U e implicaciones para la reconstrucción paleoatmosférica". Mineralogista estadounidense . 85 (7): 898–911. Código Bib : 2000AmMin..85..898P. doi :10.2138/am-2000-0703. S2CID  41920305.
  18. ^ "Propiedades de los abrasivos comunes (Museo de Bellas Artes de Boston)" (PDF) .
  19. ^ "Óxido cérico - CAMEO". cameo.mfa.org .
  20. ^ Ruosi Peng; et a. (2018). "Efecto del tamaño de nanopartículas de Pt sobre la oxidación catalítica de tolueno sobre catalizadores de Pt/CeO2". Catálisis Aplicada B: Ambiental . 220 .
  21. ^ Montini, Tiziano; Melchionna, Michele; Monai, Mateo; Fornasiero, Paolo (2016). "Fundamentos y aplicaciones catalíticas de materiales a base de CeO 2 ". Reseñas químicas . 116 (10): 5987–6041. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00603. hdl : 11368/2890051 . PMID  27120134.
  22. ^ Paier, Joaquín; Penschke, Christopher; Sauer, Joaquín (2013). "Defectos de oxígeno y química de superficie de Ceria: estudios de química cuántica comparados con experimentos". Reseñas químicas . 113 (6): 3949–3985. doi :10.1021/cr3004949. PMID  23651311.
  23. ^ Gorte, Raymond J. (2010). "Ceria en catálisis: de aplicaciones automotrices a la reacción de cambio agua-gas". Revista AIChE : NA. doi :10.1002/aic.12234.
  24. ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  25. ^ Twigg, Martyn V. (2011). "Control catalítico de emisiones de automóviles". Catálisis hoy . 163 : 33–41. doi :10.1016/j.cattod.2010.12.044.
  26. ^ "Conductores mixtos". Instituto Max Planck para la investigación del estado sólido . Consultado el 16 de septiembre de 2016 .
  27. ^ Arachi, Y. (junio de 1999). "Conductividad eléctrica del sistema ZrO2-Ln2O3 (Ln = lantánidos)". Iónicos de estado sólido . 121 (1–4): 133–139. doi :10.1016/S0167-2738(98)00540-2.
  28. ^ "Producción de hidrógeno a partir de ciclos solares termoquímicos de división de agua". PACES solares . Archivado desde el original el 30 de agosto de 2009.
  29. ^ "Nuevos descubrimientos realizados sobre el papel del óxido de cerio en la producción de hidrógeno". Ceric . 2018-07-01 . Consultado el 22 de septiembre de 2022 .
  30. ^ "Dióxido de cerio". DaNa . Archivado desde el original el 2 de marzo de 2013.
  31. ^ Rajeshkumar, S.; Naik, Poonam (2018). "Síntesis y aplicaciones biomédicas de nanopartículas de óxido de cerio: una revisión". Informes de Biotecnología . 17 : 1–5. doi :10.1016/j.btre.2017.11.008. ISSN  2215-017X. PMC 5723353 . PMID  29234605. 
  32. ^ Karakoti, AS; Monteiro-Riviere, NA; Aggarwal, R.; Davis, JP; Narayán, RJ; Yo, peso; McGinnis, J.; Sello, S. (2008). "Nanoceria como antioxidante: síntesis y aplicaciones biomédicas". JOM . 60 (3): 33–37. Código Bib : 2008JOM....60c..33K. doi :10.1007/s11837-008-0029-8. PMC 2898180 . PMID  20617106. 
  33. ^ Rajeshkumar, S.; Naik, Poonam (29 de noviembre de 2017). "Síntesis y aplicaciones biomédicas de nanopartículas de óxido de cerio: una revisión". Informes de Biotecnología . 17 : 1–5. doi :10.1016/j.btre.2017.11.008. ISSN  2215-017X. PMC 5723353 . PMID  29234605. 
  34. ^ Hussain S, Al-Nsour F, Rice AB, Marshburn J, Yingling B, Ji Z, Zink JI, Walker NJ, Garantziotis S (2012). "Las nanopartículas de dióxido de cerio inducen apoptosis y autofagia en monocitos de sangre periférica humana". ACS Nano . 6 (7): 5820–9. doi :10.1021/nn302235u. PMC 4582414 . PMID  22717232. 
  35. ^ Zholobak, Nuevo México; Ivanov, VK; Shcherbakov, AB; Shaporev, AS; Polezhaeva, OS; Baranchikov, A. Ye.; Spivak, Nueva York; Tretyakov, yu.d. (2011). "Propiedad de protección UV, actividad fotocatalítica y fotocitotoxicidad de soluciones coloides de ceria". Revista de Fotoquímica y Fotobiología B: Biología . 102 (1): 32–38. doi :10.1016/j.jphotobiol.2010.09.002. PMID  20926307.

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el óxido de cerio (IV) .