二氧化(英語：鈰 dioxide), 稀土金屬鈰的氧化物，分子式為CeO2，是一種無機(jī)化合物。淺黃白色立方體粉末，無味，難溶于水，但溶于高濃度硫酸。具有立方螢石結(jié)構(gòu)，有特殊的氧化還原性質(zhì)。常開采于獨(dú)居石、碳鈰礦中，被廣泛用于生產(chǎn)工業(yè)催化劑、固體燃料電池、化學(xué)拋光劑、陶瓷釉料等。
吞咽二氧化鈰對人體有害，長時(shí)間接觸更是會(huì)對特定器官造成損傷。1803年，瑞典化學(xué)家永斯·貝采利烏斯、希辛格和德國的科學(xué)家卡珀斯首次報(bào)道了氧化態(tài)鈰的發(fā)現(xiàn)。
發(fā)現(xiàn)歷史
1803年，瑞典化學(xué)家貝采利烏斯（Jacob Berzelius）和希辛格（Wilhelm von Hisinger）首次報(bào)道了氧化態(tài)鈰的發(fā)現(xiàn)。他們一起研究了一種礦石，并將它與土作對比。釔土溶于碳酸并且焰色反應(yīng)呈紅色，而這種礦石不溶于碳酸銨，也沒有焰色反應(yīng)，這明顯和釔土不一樣，一定含有一種新的元素。當(dāng)時(shí)恰逢發(fā)現(xiàn)小行星谷神星（Ceres），故用谷物女神克瑞斯將鈰元素其命名為"Cerium"。
同年德國的科學(xué)家卡珀斯（Martin Klaproth）也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)鈰元素。
分布情況
提取二氧化鈰的主要礦物原料有獨(dú)居石和氟碳鈰礦。獨(dú)居石（Monazite，鄂博礦）是成分為Ce,La,Nd,Th等的磷酸鹽礦物，含有放射性，常形成于濱海砂礦和沖積砂礦。
氟碳鈰礦（Bastnasite，白云礦）的分子式為（Ce,La）[CO3]F，鈰和的含量占其總量的70%～90%。
中國、美國的氟碳鈰礦和獨(dú)居石礦儲(chǔ)量最豐富，此外還分布在澳大利亞、巴西、印度、馬來西亞、南非、斯里蘭卡、泰國等國家。另外，鈰是ree中豐度最高的元素。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
立方螢石結(jié)構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)的二氧化鈰晶體具有立方螢石結(jié)構(gòu)，其單胞參數(shù) a=5.41134? ，一個(gè)Ce4+周圍環(huán)繞8個(gè)O2-，Ce4+ 組成的四面體空隙由O2-完全填充。它的結(jié)構(gòu)中有一些八面體空位，被稱為敞型結(jié)構(gòu)。由此帶來的優(yōu)點(diǎn)是允許離子快速擴(kuò)散，所以可以做快離子導(dǎo)體，而缺點(diǎn)則是二氧化鈰中極易出現(xiàn)氧空位缺陷。其它離子如鈣離子、銅離子等也可以借此進(jìn)入氧化鈰晶格，進(jìn)而改善二氧化鈰的物理、化學(xué)性能。
金屬鈰元素的價(jià)電子為4f15d16s2，通常能表現(xiàn)為+3價(jià)、+4價(jià)。在存在氧空位的二氧化鈰中，部分鈰表現(xiàn)為+3價(jià)，故二氧化鈰和三氧化二鈰之間可以互相轉(zhuǎn)化，且+3價(jià)、+4價(jià)之間有較低的電極電動(dòng)勢。正因如此，二氧化鈰實(shí)際上是一種非化學(xué)計(jì)量化合物，常用CeO(2-x) [0 二氧化鈰的晶體上存在(100)、(110)、(111)三個(gè)晶格面，其中(111) 晶面的穩(wěn)定性最好而(100)晶面的穩(wěn)定性最差。故(100)、(110)存在更多的氧缺陷。 二氧化鈰的間接帶隙為3.2 eV(晶面)，其價(jià)帶頂主要由O原子貢獻(xiàn)，價(jià)帶底則由局域Ce原子貢獻(xiàn)。由于其寬帶隙特性，二氧化鈰主要吸收紫外光。 二氧化鈰的摩爾質(zhì)量為172.115 g·摩爾?1，晶格常數(shù)為0.54nm，密度7300g/dm3，沸點(diǎn)3730℃，熔點(diǎn)約2600 °C（ 2873K）。是淺黃白色粉末，其工業(yè)產(chǎn)品純度越高顏色越淡，由淺紅色/淺黃褐色到淡黃色/奶白色。不溶于水。 其EINECS編號為215-150-4，RTECS號為FK6310000。 二氧化鈰與硫酸反應(yīng)可以生成硫酸高鈰。 二氧化鈰可以與鹽酸反應(yīng)。 二氧化鈰溶解于硝酸，形成硝酸高鈰。 在不斷通入硫化氫的條件下，二氧化鈰在水中會(huì)與碘化氫作用 在帶有氧空位缺陷的二氧化鈰的螢石結(jié)構(gòu)中，一個(gè)氧原子可以擴(kuò)散到其它位置。當(dāng)處于貧氧環(huán)境時(shí)，二氧化鈰會(huì)釋放氧氣，而富氧環(huán)境則吸收氧氣。 二氧化鈰的還原動(dòng)力學(xué)可以描述為：H2離解吸附在其表面的氧離子上形成羥基；由于羥基內(nèi) OH-的相互作用使鄰近的陽離子 Ce+4失去氧離子被還原成 Ce+3同時(shí)形成陰離子空穴；從晶格中脫離出來的羥基與氫結(jié)合生成水而脫附；表面的陰離子氧空穴擴(kuò)散至體相，體相內(nèi)的氧移動(dòng)到表面。 具體的方程式可以表示如下： 是晶格中的氧離子； 是兩倍電荷的氧空位； 氯與一氧化碳的混合物通過二氧化鈰時(shí)，有三氧化鈰生成。 二氧化鈰與偏磷酸鉀熔融時(shí)，發(fā)生如下發(fā)應(yīng)。 二氧化鈰能在保持自身結(jié)構(gòu)的前提下，進(jìn)行氧化、還原反應(yīng)。故在多相催化過程中可以轉(zhuǎn)移氣相中的氧物種至固體表面，從而促進(jìn)催化過程。納米級別的二氧化鈰因?yàn)榫哂懈叩难跞毕轁舛缺憩F(xiàn)出更優(yōu)良的催化活性。 濃硫酸焙燒法是從其他輕稀土元素中回收分離Ce的最有效的方法。稀土礦物經(jīng)酸浸(常用硫酸)后得到浸出液，再經(jīng)萃取反萃制得高純氧化鈰產(chǎn)品。該法是處理混合稀土精礦的主流工藝。 下面是濃硫酸酸浸二氧化鈰的化學(xué)方程式： 二氧化鈰可由Ce(OH)3、Ce(NO3)3、Ce2(CO3)3或Ce(C2O4)3在空氣中加熱而制得。 Ce(NO3)3溶液在微波濃縮熱解儀中蒸發(fā)結(jié)晶為固體后，加入甲酸生成甲酸鈰沉淀，繼續(xù)微波加熱將多余的溶液蒸發(fā)結(jié)晶得到固體甲酸鈰。 制備納米二氧化鈰粉體主要采用液相法。氣相法、固相法也有所應(yīng)用。比較典型的有液相沉淀法（工業(yè)生產(chǎn)常用）、溶劑熱法（常以氫氧化鈉溶液為溶劑）、依附捕捉劑定向生長法（常用的表面活性劑有CTAB，十八胺）、模板法、電化學(xué)沉積法、微波及超聲輔助法等。 利用液相法形成納米二氧化鈰主要包括晶核成核與晶體生長兩個(gè)階段。粒子形貌和大小由體成核速率和晶體生長速率決定并受到pH值、壓力、溫度、前驅(qū)體濃度、溶劑等的影響。 液相沉淀法通過在含有金屬離子的溶液中加入沉淀劑，生成溶解度很低的沉淀物質(zhì)（如Ce(OH)4），再經(jīng)過一系列的干燥、煅燒處理生成二氧化鈰。 高溫高壓下的水溶液與含有鈰離子的溶液反應(yīng)，經(jīng)過濾、烘焙生成二氧化鈰。其原理在于高溫、高壓的亞臨界環(huán)境使水溶液的物理化學(xué)性質(zhì)如介電常數(shù)等顯著變化，有利于納米晶的成核及生長，最終得到二氧化鈰納米晶。 將化學(xué)試劑配成鹽溶液的前驅(qū)體形成均勻的液體，加入凝固劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定均勻溶膠體系，經(jīng)干燥、烘焙生成二氧化鈰。 是以水熱合成法為基礎(chǔ)的一類方法，即將有機(jī)溶劑替換水溶劑，以進(jìn)行水溶劑中不能發(fā)生的反應(yīng)。 是一種反向膠束法，兩種互不相溶的液體組成宏觀上均勻、微觀上不均勻的混合溶液，其分散相通過液滴的形式以極微笑的狀態(tài)存在，使反應(yīng)物發(fā)生有效碰撞，進(jìn)而生成沉淀。該方法需要使用大量的表面活性劑和溶劑，成本較高。 將含有金屬離子的混合溶液作為電解質(zhì)，使金屬離子發(fā)生電離從而以沉淀的形式析出。通過硝酸鈰、硝酸銨混合作為電解質(zhì)制備的納米二氧化鈰的粒徑遠(yuǎn)小于沉淀法制備的產(chǎn)物。 在眾多稀土種類中，二氧化鈰的儲(chǔ)量、生產(chǎn)量和需求量是最大的，二氧化鈰粉體是一種性能優(yōu)異的新型功能材料，應(yīng)用開發(fā)前景廣闊。 二氧化鈰可用于制備金屬鈰。 在燃料電池的陽極，二氧化鈰可以引入氧空位而不增加電子載流子，并且可以通過引入摻雜離子增加其導(dǎo)電能力，增加了燃料電池的效率，被用于低溫固體燃料電池（SoFC）電極材料。 用于汽車尾氣凈化的三效催化劑去除氮氧化物;利用二氧化鈰的高溫化學(xué)穩(wěn)定性及快速氧空位擴(kuò)散能力，可以制成探測氧氣濃度的探頭、氧敏傳感器。 二氧化鈰是高效的拋光材料，拋光速度快、表面精度高。被廣泛用于化學(xué)元件、光學(xué)鏡片、半導(dǎo)體芯片等的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)中。典型的應(yīng)用有：液晶顯示器外屏玻璃拋光、電腦硬盤玻璃基板拋光等。 二氧化鈰作薄膜材料主要用于甲醇脫氫及集成電路，在低溫時(shí)，甲醇會(huì)和二氧化鈰反應(yīng)生成水，進(jìn)而幫助甲醇脫氫。同時(shí)CeO2的(111)晶面與 Si的(111)晶面晶格常數(shù)適配度小，可以和 Si 材料很好的兼容，被認(rèn)為是一個(gè)很好的高K集成電路介質(zhì)薄膜材料。 在玻璃行業(yè)，二氧化鈰是常見的(化學(xué))玻璃脫色劑。二氧化鈰具有紫外遮斷作用，其納米顆粒的抗菌性和抗氧化性也有很多研究，故二氧化鈰常用于涂料、化妝品等產(chǎn)品中。在陶瓷釉料及電子工業(yè)，二氧化鈰作為壓電陶瓷滲入劑可以有效地調(diào)節(jié)電滯回線，特別是對材料的極化、剩余極化及矯頑場有明顯的調(diào)控作用，進(jìn)而對材料的性能產(chǎn)生重要影響。在陶瓷中二氧化鈰還有高效的失透作用，加入低火度釉或搪瓷釉中效果最好。 不用時(shí)，用內(nèi)襯二層聚乙烯塑料袋的鐵桶包裝，存放于陰涼、干燥、通風(fēng)良好的區(qū)域。 吞咽二氧化鈰對人體有害，長時(shí)間暴露會(huì)對特定器官造成損傷(誘導(dǎo)組織纖維化)。可能對水生生物造成持久性危害。納米二氧化鈰以納米顆粒的形式存在，可以通過大氣沉降或廢水處理進(jìn)入土壤，能影響植物的生理過程。 參考資料 > Cerium dioxide | CeO2 - PubChem.pubchem.2023-04-01 Cerium dioxide.ECHA.2023-03-28 NFPA704官網(wǎng).NFPA704.2023-04-01不同晶格面的差異
間接帶隙
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
化學(xué)性質(zhì)
與酸反應(yīng)
還原反應(yīng)
還原反應(yīng)方程式
其它反應(yīng)
催化活性
制備方法
礦物與鹽中提取
熱分解
濃硫酸焙燒法
加熱揮發(fā)性酸的鈰鹽
甲酸鈰煅燒制備二氧化鈰
納米二氧化鈰的制備
液相沉淀法
水熱合成法
溶膠凝膠法
溶劑熱法
微乳液法
電化學(xué)沉積法
應(yīng)用領(lǐng)域
制備金屬鈰
固體電解質(zhì)材料
汽車尾氣催化劑
高效拋光粉
薄膜材料
其他應(yīng)用
安全事宜