1306-38-3 / 二氧化鈰的制備及應(yīng)用

二氧化鈰（CeO2），淡黃或黃褐色粉末，密度7.13g/cm3，熔點(diǎn)2397℃，不溶于水和堿，微溶于酸。氧化鈰有毒、無(wú)味、無(wú)刺激、安全可靠，性能穩(wěn)定，是優(yōu)質(zhì)玻璃澄清劑、脫色劑及化工助劑。

二氧化鈰粉末和二氧化鈰的晶格結(jié)構(gòu)

制備方法

近年來(lái)，隨著稀土新材料的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)超細(xì)粉末二氧化鈰具有新的優(yōu)異的性能。20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，對(duì)該領(lǐng)域的研究日益增多，關(guān)于納米二氧化鈰的制備方法和應(yīng)用研究取得了較大的進(jìn)展。

制備納米二氧化鈰的方法有固相燒結(jié)法、液相法、氣相法、噴霧熱分解法等。

1.1 固相燒結(jié)法

固相燒結(jié)法是一種傳統(tǒng)的粉體制備工藝，是在高溫下通過(guò)固一固反應(yīng)制備產(chǎn)品的方法。

例如，采用氯化飾和草酸在低熱條件下進(jìn)行機(jī)械力固相化學(xué)反應(yīng)，制備出前驅(qū)體草酸鈰Ce2(C2O4)3·10H2O，繞后經(jīng)過(guò)熱重和差熱分析后，再400℃下分解該前驅(qū)體2h，可以得到粒度在80nm左右、表面形貌為球形、結(jié)構(gòu)為立方晶系的黃色二氧化鈰。

固相燒結(jié)法具有產(chǎn)量大、制備工藝簡(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)，但由于能耗大、效率低、雜質(zhì)易混入等缺點(diǎn)，一般使用較少。

1.2 液相法

液相法相對(duì)于固相法和氣相法而言具有不需苛刻的物理?xiàng)l件、操作方便、粒子可控等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛地研究。目前，液相法制備納米二氧化鈰的方法主要包括：沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法等。

（a）沉淀法

沉淀法是液相化學(xué)合成高純度納米粒子廣泛采用的方法，它是把沉淀劑加入金屬鹽溶液中進(jìn)行沉淀處理，再將沉淀物過(guò)濾、干燥和焙燒來(lái)制得納米級(jí)氧化物粉末，是典型的液相法，主要包括直接沉淀、均相沉淀、共沉淀等。利用沉淀法制備納米二氧化鈰的報(bào)道比較多。

沉淀法中，抑制粒子間的團(tuán)聚是合成的關(guān)鍵問(wèn)題。例如，將Ce(NO3)3用氨水沉淀，然后用液氮使凝膠迅速凍結(jié)，待其在室溫下緩慢融化后進(jìn)行2次脫水，可以得到平均粒徑為7nm，比表面積為89m2/g的納米二氧化鈰粉體。

（b）水熱法

水熱法是在特制的高壓反應(yīng)釜里，采用水作為介質(zhì)，通過(guò)對(duì)高壓反應(yīng)釜加熱，創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶。水熱合成法己用于制備稀土氧化物納米粉末。

例如，用醇水加熱法制備前驅(qū)體，再用水熱法可以制得平均粒徑為10nm左右的Y2O3-CeO2-ZrO2粉體，其粒度分布窄，分散性好。

1.3 氣相法

氣相法是指兩種或兩種以上單質(zhì)或化合物在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成納米級(jí)新化合物的方法。氣相法包括低壓氣體中蒸發(fā)法氣體冷凝法、活性氫熔融金屬反應(yīng)法、濺射法、通電加熱蒸發(fā)法、揮發(fā)性化合物混合法、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積等。

例如，可以采用直流磁控反應(yīng)濺射法，通過(guò)調(diào)節(jié)沉積溫度、退火時(shí)間、水分壓等工藝參數(shù)，可以在雙軸織構(gòu)的鎳鎢合金（Ni-5%W）基帶上生長(zhǎng)得到二氧化鈰過(guò)渡層。

1.4 噴霧熱分解法

噴霧熱分解法制備稀土氧化物超細(xì)粉末，由于兼具了液相法和氣相法的諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)成為一種新興的稀土氧化物超細(xì)粉末的制備方法。

噴霧熱分解法為一步連續(xù)過(guò)程，粒子形態(tài)均勻可控，無(wú)需各種液相法中后續(xù)過(guò)濾、洗滌、干燥、粉碎和鍛燒過(guò)程，既簡(jiǎn)化了操作、有利于工業(yè)生產(chǎn)，又避免在上述過(guò)程中引入雜質(zhì)和破壞晶體結(jié)構(gòu)，從而保證產(chǎn)物的高純度和高活性。目前該法已用于一些稀土氧化物納米粉體的制備，但未見(jiàn)用其制備納米二氧化鈰的報(bào)道。所以各位有興趣有條件的讀者可以嘗試一下。

應(yīng)用

（a）化學(xué)拋光粉上的應(yīng)用

納米二氧化鈰是目前玻璃拋光最常用的磨料，廣泛應(yīng)用于玻璃、光學(xué)元件等精密加工，并得到廣泛研究。氧化鈰拋光粉主要成份為二氧化鈰（CeO2），其次分別為氧化鑭（La2O3）、氧化鐠（Pr2O3）、氧氟化鑭（LaOF），此外還含有微量的氧化硅、氧化鋁和氧化鈣。在拋光粉中影響拋光效果的是CeO2的粒度、純度及硬度。其中粒度為主要因素，粒度大適合通常的光學(xué)元件、眼鏡片等的拋光，粒度小適合精細(xì)光學(xué)鏡頭的高速拋光。

舉例：玻璃作為最普通及基本的無(wú)機(jī)材料，廣泛應(yīng)用于筆一記本電腦硬盤(pán)玻璃基片、數(shù)碼相機(jī)芯片、超精密光學(xué)鏡頭、光學(xué)窗口等光學(xué)元件，以及光通訊元件、平面顯示器等先進(jìn)電子產(chǎn)品的制造中。超光滑亞納米級(jí)粗糙度、平整、無(wú)微觀缺陷的玻璃表面已成為關(guān)系這些高技術(shù)產(chǎn)品性能的重要因素。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是集成電路生產(chǎn)中硅片加工以及整個(gè)沉積和蝕刻工藝的重要組成部分，它借助CMP漿料中超微研磨粒子的機(jī)械研磨作用以及漿料的化學(xué)腐蝕作用，用專(zhuān)用拋光盤(pán)在己制作電路圖形的硅片上形成高度平整的表面，是目前能夠提供超大規(guī)模集成電路制造過(guò)程中全局平坦化的一種新技術(shù)。

（b）催化劑上的應(yīng)用

鈰作為一種鑭系元素，可失去兩個(gè)6s電子和一個(gè)5d電子形成三價(jià)離子，也可由于受4f電子排布的影響形成較穩(wěn)定的4f空軌道，給出四價(jià)離子。這種變價(jià)特性，使其具有很好的氧化還原性能。二氧化鈰不僅具有獨(dú)特的儲(chǔ)氧、放氧功能,而且又是稀土氧化物系列中活性最高的一個(gè)氧化物催化劑，因此在許多場(chǎng)合下二氧化鈰可作為助劑來(lái)提高催化劑的催化性能。

舉例：電極在燃料電池電化學(xué)反應(yīng)中作用至關(guān)重要，電極不僅是燃料電池中不可缺少的重要組成部分，也兼做電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。過(guò)渡金屬氧化物陽(yáng)極在性能上有許多其他材料無(wú)法比擬之處，主要優(yōu)勢(shì)在于它的多氧化態(tài)，多種價(jià)態(tài)共存的情況有助于電子自由遷徙，因此此類(lèi)電催化劑的活性高于固定價(jià)態(tài)的點(diǎn)催化劑。

（c）在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

稀土元素由于其特殊的原子結(jié)構(gòu)和活性，作為微量添加劑用于鋼、鑄鐵、鋁、鎳、鎢等材料中，能消除雜質(zhì)、細(xì)化晶粒和改善材料組成，從而改進(jìn)合金的機(jī)械、物理和加工性能，提高合金的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

舉例：以納米二氧化鈰作涂層和添加劑能改善高溫合金和不銹鋼的抗氧化、熱腐蝕、水腐蝕和硫化性能，也可用作球墨鑄鐵的孕育劑。

（d）用于紫外吸收制品

由于納米CeO2具有豐富的電子躍遷能級(jí)，對(duì)紫外光吸收有優(yōu)異的光學(xué)敏感性。加之納米粒子的小尺寸效應(yīng)、高比表面效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)，對(duì)紫外光有較強(qiáng)的散射和反射作用。而且CeO2熱穩(wěn)定性好、安全無(wú)毒、資源豐富、制備成本低，因此有望成為一種應(yīng)用于各領(lǐng)域的新型紫外吸收劑。

舉例：在高檔化妝品中，采用納米CeO2及SiO2表面包裹的復(fù)合物作為主要的紫外線吸收材料，克服TiO2或ZnO顏色有蒼白感和紫外吸收率低的缺點(diǎn)。除了可以在化妝品使用外，納米CeO2還可以添加到聚合物中制得防紫外線老化纖維，制得具有優(yōu)良防的紫外線遮蔽率及熱輻射遮蔽率的化纖面料。性能優(yōu)于目前所用的TiO2，ZnO，SiO2。此外，納米CeO2還可以加入涂料中，抵御紫外線，降低聚合物的老化降解速度。

來(lái)源：粉體圈