Oxyde de cérium(IV) - Cerium(IV) oxide
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| Noms | |
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Nom IUPAC
Oxyde de cérium(IV)
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| Autres noms
Oxyde
cérique, cérium, dioxyde de cérium |
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Modèle 3D ( JSmol )
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| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| Carte d'information de l'ECHA |
100.013.774 
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CID PubChem
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| UNII | |
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Tableau de bord CompTox ( EPA )
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| Propriétés | |
| PDG 2 | |
| Masse molaire | 172,115 g/mol |
| Apparence | solide blanc ou jaune pâle, légèrement hygroscopique |
| Densité | 7,215 g / cm 3 |
| Point de fusion | 2 400 °C (4 350 °F; 2 670 K) |
| Point d'ébullition | 3 500 °C (6 330 °F; 3 770 K) |
| insoluble | |
| +26.0·10 −6 cm 3 /mol | |
| Structure | |
| système cristallin cubique , cF12 ( fluorine ) | |
| Fm 3 m, #225 | |
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a = 5,41 , b = 5,41 , c = 5,41
= 90°, = 90°, = 90°
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| Ce, 8, cubique O, 4, tétraédrique |
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| Dangers | |
| NFPA 704 (diamant de feu) | |
| Composés apparentés | |
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Composés apparentés
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Oxyde de cérium(III) |
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Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
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 vérifier ( qu'est-ce que c'est ?)
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| Références de l'infobox | |
Le cérium (IV) oxyde , également connu comme l' oxyde cérique , le dioxyde cérique , l' oxyde de cérium , l' oxyde de cérium ou de dioxyde de cérium est un oxyde de métal de terre rare le cérium . Il s'agit d'une poudre blanc-jaune pâle de formule chimique CeO 2 . C'est un produit commercial important et un intermédiaire dans la purification de l'élément des minerais. La propriété distinctive de ce matériau est sa conversion réversible en un oxyde non stoechiométrique .
Production
Le cérium se présente naturellement en mélange avec d'autres éléments de terres rares dans ses principaux minerais, la bastnaesite et la monazite . Après extraction des ions métalliques dans la base aqueuse, Ce est séparé de ce mélange par addition d'un oxydant suivi d'un ajustement du pH. Cette étape exploite la faible solubilité du CeO 2 et le fait que d'autres éléments de terres rares résistent à l'oxydation.
L'oxyde de cérium(IV) est formé par la calcination d' oxalate de cérium ou d' hydroxyde de cérium .
Le cérium forme également de l'oxyde de cérium(III) , Ce
2O
3, qui est instable et s'oxydera en oxyde de cérium(IV).
Structure et comportement des défauts
L'oxyde de cérium adopte la structure fluorite , groupe d'espace Fm 3 m, #225 contenant 8 coordonnées Ce 4+ et 4 coordonnées O 2− . À des températures élevées, il libère de l'oxygène pour donner une forme non stoechiométrique déficiente en anions qui retient le réseau de fluorite. Ce matériau a pour formule CeO (2− x ) , où 0 < x < 0,28. La valeur de x dépend à la fois de la température, de la terminaison de surface et de la pression partielle d'oxygène. L'équation
a été montré pour prédire la non-stoechiométrie d'équilibre x sur une large gamme de pressions partielles d'oxygène (10 3 –10 -4 Pa) et de températures (1000–1900 °C).
La forme non stoechiométrique a une couleur bleue à noire et présente à la fois une conduction ionique et électronique, l'ionique étant la plus importante à des températures > 500 °C.
Le nombre de lacunes d'oxygène est fréquemment mesuré en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X pour comparer le rapport de Ce3+
à Ce4+
.
Chimie des défauts
Dans la phase fluorite la plus stable de l'oxyde de cérium, il présente plusieurs défauts en fonction de la pression partielle d'oxygène ou de l'état de contrainte du matériau.
Les principaux défauts préoccupants sont les lacunes d'oxygène et les petits polarons (électrons localisés sur les cations de cérium). L'augmentation de la concentration des défauts d'oxygène augmente la vitesse de diffusion des anions oxyde dans le réseau, ce qui se traduit par une augmentation de la conductivité ionique . Ces facteurs confèrent à l'oxyde de cérium des performances favorables dans les applications en tant qu'électrolyte solide dans les piles à combustible à oxyde solide . L'oxyde de cérium non dopé et dopé présentent également une conductivité électronique élevée à de faibles pressions partielles d'oxygène en raison de la réduction de l'ion cérium conduisant à la formation de petits polarons . Étant donné que les atomes d'oxygène dans un cristal d'oxyde de cérium se produisent dans des plans, la diffusion de ces anions est facile. Le taux de diffusion augmente à mesure que la concentration de défauts augmente.
La présence de lacunes d'oxygène au niveau des plans de terminaison cérine régit l'énergétique des interactions de l'oxyde de cérium avec les molécules d'adsorbat et sa mouillabilité . Le contrôle de telles interactions de surface est essentiel pour exploiter l'oxyde de cérium dans les applications catalytiques.
Occurrence naturelle
L'oxyde de cérium(IV) se présente naturellement sous forme de minéral cérianite-(Ce) . C'est un exemple rare de minéral de cérium tétravalent, les autres exemples étant la stétindite-(Ce) et la dyrnaesite-(La) . Le suffixe "-(Ce)" est connu sous le nom de modificateur de Levinson et est utilisé pour montrer quel élément domine dans un site particulier de la structure. On le trouve souvent dans les noms de minéraux contenant des éléments de terres rares (ETR). L'occurrence de la cérianite-(Ce) est liée à quelques exemples d' anomalies du cérium , où Ce - qui s'oxyde facilement - est séparé des autres terres rares qui restent trivalentes et s'adaptent ainsi aux structures d'autres minéraux que la cérianite-(Ce).
Catalyse et activité de surface
La principale application émergente des matériaux CeO 2 appliqués est dans le domaine de la catalyse. Les surfaces de l'oxyde de cérium, dans sa phase de fluorite la plus stable, sont dominées par les plans d'énergie inférieure (111), qui ont tendance à présenter une énergie de surface inférieure. La réaction la plus couramment catalysée par le cérium(IV) est la réaction de transfert de gaz à l' eau , impliquant l'oxydation du monoxyde de carbone . Ceria a été exploré vers la catalyse de diverses réactions de conversion d'hydrocarbures, y compris la méthanation du CO 2 et l'oxydation catalytique d'hydrocarbures tels que le toluène .
La fonctionnalité de surface de CeO 2 provient en grande partie de son hydrophobie intrinsèque , un trait qui est commun parmi les oxydes de terres rares. L'hydrophobie tend à conférer une résistance à la désactivation par l'eau à la surface des catalyseurs et améliore ainsi l'adsorption des composés organiques. L'hydrophobie, qui peut être considérée à l'inverse comme une organophilie, est généralement associée à des performances catalytiques plus élevées et est souhaitée dans les applications impliquant des composés organiques et la synthèse sélective.
L'interconvertibilité des matériaux CeO x est à la base de l'utilisation de l'oxyde de cérium pour un catalyseur d'oxydation. Une utilisation petite mais illustrative est son utilisation dans les parois des fours autonettoyants en tant que catalyseur d'oxydation des hydrocarbures pendant le processus de nettoyage à haute température. Un autre exemple à petite échelle mais célèbre est son rôle dans l'oxydation du gaz naturel dans les manteaux de gaz .
S'appuyant sur ses interactions de surface distinctes, l'oxyde de cérium trouve une utilisation supplémentaire en tant que capteur dans les convertisseurs catalytiques dans les applications automobiles, contrôlant le rapport air-échappement pour réduire les émissions de NO x et de monoxyde de carbone .
Autres applications
Polissage
La principale application industrielle de l'oxyde de cérium est le polissage, en particulier la planarisation chimico-mécanique (CMP). A cet effet, il a déplacé de nombreux autres oxydes qui étaient auparavant utilisés, tels que l'oxyde de fer et la zircone . Pour les amateurs, il est également connu sous le nom de "rouge des opticiens".
Optique
CeO 2 est utilisé pour décolorer le verre en convertissant les impuretés ferreuses teintées de vert en oxydes ferriques presque incolores.
L' oxyde de cérium a été utilisé dans les filtres infrarouges , en tant qu'espèce oxydante dans les convertisseurs catalytiques et en remplacement du dioxyde de thorium dans les manteaux incandescents
Conduction mixte
En raison de la conduction ionique et électronique importante de l'oxyde de cérium, il est bien adapté pour être utilisé comme conducteur mixte , avec une valeur significative dans la recherche et le développement des piles à combustible .
Applications biomédicales
Des nanoparticules d'oxyde de cérium (nanoceria) ont été étudiées pour leur activité antibactérienne et antioxydante.
Soudage
L'oxyde de cérium est utilisé en complément des électrodes de tungstène pour le soudage à l'arc au tungstène au gaz. Il offre des avantages par rapport aux électrodes en tungstène pur, tels que la réduction du taux de consommation des électrodes et un démarrage et une stabilité de l'arc plus faciles. Les électrodes Ceria ont été introduites pour la première fois sur le marché américain en 1987 et sont utiles en AC, DC Electrode Positive et DC Electrode Negative. Plus de détails sur ces électrodes peuvent être trouvés dans l'annexe B de l'ASME BPVC.II.C SFA-5.12.
Recherche
Photocatalyse
Bien qu'il soit transparent pour la lumière visible, il absorbe fortement les rayons ultraviolets , c'est donc un remplacement potentiel de l'oxyde de zinc et du dioxyde de titane dans les écrans solaires , car il a une activité photocatalytique plus faible . Cependant, ses propriétés catalytiques thermiques doivent être diminuées en enrobant les particules de silice amorphe ou de nitrure de bore .
Réservoirs de carburant
La cérine présente un intérêt en tant que matériau pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en raison de sa conductivité relativement élevée des ions oxygène (c'est-à-dire que les atomes d'oxygène se déplacent facilement à travers elle) à des températures intermédiaires (500-650 ° C) et une enthalpie d'association plus faible par rapport au système Zirconia. .
Fractionnement de l'eau
Le cycle oxyde de cérium(IV)-oxyde de cérium(III) ou cycle CeO 2 /Ce 2 O 3 est un procédé de séparation thermochimique de l' eau en deux étapes basé sur l'oxyde de cérium(IV) et l'oxyde de cérium(III) pour la production d'hydrogène .
Antioxydant
Nanoceria a attiré l'attention en tant qu'antioxydant biologique.