اکسید سریم چیست و از کاربردهای آن چه می دانید؟

اکسید سریم (Cerium oxide) یک پودر سفید یا زرد مایل به سفید با فرمول شیمیایی CeO2 است. این ترکیب به عنوان اکسید سریک ، دی اکسید سریک ، سریا ، سریم دی اکسید یا دی اکسید سریم نیز شناخته می شود و اکسید فلز سریم است.  CeO2 محصول مهم تجاری و واسطه ای در تصفیه عناصر از سنگ معدنی است. قیمت خرید اکسید سریوم بسته به نوع آن متفاوت است . خاصیت بارز این ماده تبدیل برگشت پذیر آن به اکسید غیر استوکیومتری است. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

خواص و ویژگی های عنصر سریم

سریم یک عنصر شیمیایی با نماد Ce و عدد اتمی ۵۸ است. سریم یک فلز نرم ، شکل پذیر و سفید نقره ای است که در معرض هوا لکه دار می شود و به اندازه کافی نرم است که می توان آن را با چاقوی آشپزخانه استیلی برش داد. سریم دومین عنصر از سری لانتانیدها است  و گرچه اغلب حالت اکسیداسیون ۳+ را نشان می دهد ، همچنین دارای حالت ۴+ پایدار است که آب را اکسید نمی کند. همچنین یکی از عناصر کمیاب زمین محسوب می شود. سریم هیچ نقش بیولوژیکی در انسان ندارد و خیلی سمی نیست.

علیرغم اینکه همیشه در ترکیب با سایر عناصر کمیاب زمین در مواد معدنی مانند مونازیت و باستناسیت وجود دارد ، استخراج سریم از سنگ معادن آسان است ، زیرا با توانایی منحصر به فرد اکسید شدن در بین لانتانیدها قابل تشخیص است. حالت ۴+  شایع ترین حالت لانتانیدها است و پس از آن نئودیمیم ، لانتانیم و پرازودیمیم قرار می گیرد. سریم بیست و ششمین عنصر فراوان زمین است که ۶۶ پی پی ام از پوسته زمین را تشکیل می دهد ، یعنی نصف کلر و پنج برابر سرب.

جالب است بدانید:

سریم اولین لانتانید کشف شده در باستنس سوئد توسط یونس یاکوب برزلیوس و ویلهلم هیسینگر در سال ۱۸۰۳ و به طور مستقل توسط مارتین هاینریش کلاپروت در آلمان در همان سال بود. در سال ۱۸۳۹ کارل گوستاف موساندر اولین کسی بود که این فلز را جدا کرد. امروزه سریم و ترکیبات آن کاربردهای گوناگونی دارند. به عنوان مثال از اکسید سریم (IV) برای صیقل دادن شیشه استفاده می شود و قسمت مهمی از مبدل های کاتالیزوری است. از فلز سریم به دلیل خصوصیات آتش زا در فندک های فروسریوم استفاده می شود. فسفر YAG دوپ شده با سریم همراه با دیودهای ساطع کننده نور آبی برای تولید نور سفید در بیشتر منابع نور LED سفید تجاری استفاده می شود.

روش تولید اکسید سریم

همانطور که گفتیم سریم به طور طبیعی به شکل مخلوط با سایر عناصر کمیاب زمین در سنگ معدن اصلی آن باستنازیت و مونازیت ظاهر می شود. پس از استخراج یون های فلزی در پایه آبی سریم  با افزودن یک اکسیدان و به دنبال آن تنظیم pH از مخلوط جدا می شود. این مرحله از حلالیت کم CeO2 و این واقعیت که دیگر عناصر خاکی کمیاب در برابر اکسیداسیون مقاوم هستند، بهره برداری می کند.

اکسید سریم (IV) با کلسینه کردن اگزالات سریم یا هیدروکسید سریم نیز تشکیل می شود. سریم همچنین اکسید سریم (III) ، Ce 2O3 را تشکیل می دهد که ناپایدار است و به اکسید سریم (IV) اکسید می شود.

ساختار اکسید سریم

این ترکیب در پایدارترین حالت بسته به فشار جزئی اکسیژن یا تنش های مختلف نقص های مختلفی از خود نشان می دهد. نقص اصلی ، جای خالی اکسیژن و قطب های کوچک (الکترون های مستقر در کاتیون های سریم) است. افزایش تعداد نقایص اکسیژن باعث افزایش سرعت انتشار آنیون های اکسید در شبکه می شود که در افزایش هدایت یونی منعکس می شود.

این فاکتورها باعث می شوند سریا به عنوان یک الکترولیت جامد در سلول های سوختی اکسید جامد ، عملکرد مطلوبی ارائه دهد. این ترکیب بدون جابجایی و دوپ شده نیز در فشار جزئی اکسیژن به دلیل کاهش یون سریم منجر به تشکیل قطب های کوچک ، رسانایی الکترونیکی بالایی از خود نشان می دهند. از آنجا که اتمهای اکسیژن در کریستال ceria در سطح قرار می گیرند انتشار این آنیون ها آسان خواهد بود و سرعت انتشار با افزایش شدت نقص افزایش می یابد.

وجود جای خالی اکسیژن در خاتمه دادن به صفحات ساختاری موثر است. کنترل چنین فعل و انفعالات سطحی کلیدی برای مهار سریا در کاربردهای کاتالیزوری است.

فعالیت سطحی و کاتالیزوری اکسید سریم

کاربرد اولیه CeO2 در زمینه کاتالیز است. سطوح اکسید سریم در پایدارترین فاز فلوئوریت خود ، تحت تأثیر صفحات کم انرژی قرار دارند که تمایل به نمایش انرژی سطحی کمی دارند. واکنشی که معمولاً توسط سریم (IV) کاتالیز می شود ، واکنش تغییر گاز آب است که شامل اکسیداسیون مونوکسیدکربن است. این ترکیب برای کاتالیز واکنش های مختلف تبدیل هیدروکربنی از جمله متاناسیون CO2 و اکسیداسیون کاتالیزوری هیدروکربن هایی مانند تولوئن مورد استفاده قرار می گیرد.

عملکرد سطحی CeO2 عمدتا از آبگریزی ذاتی آن ناشی می شود ، صفتی که در بین اکسیدهای کمیاب زمین معمول است. آبگریزی تمایل به ایجاد مقاومت در برابر غیرفعال سازی آب در سطح کاتالیزور ها دارد و در نتیجه جذب ترکیبات آلی را افزایش می دهد. ویژگی آبگریزی به طور معکوس می تواند به عنوان ارگانوفیلیسیتی شناخته شود و به طور کلی با عملکرد کاتالیزوری بالاتر همراه است که برای سنتز انتخابی با حضور ترکیبات آلی مطلوب است.

قابلیت تبدیل پذیری ترکیباتCeOx  اساس استفاده از سریا برای کاتالیزور اکسیداسیون است. از این ویژگی در دیواره کوره های خود تمیز کننده به عنوان کاتالیزور اکسیداسیون هیدروکربن در طی فرآیند تمیز کردن در دمای بالا استفاده می شود. مقیاس کوچک اما مشهور دیگر نقش آن در اکسیداسیون گاز طبیعی در پوشش های گازی است.

اکسید سریم بر اساس فعل و انفعالات متمایز سطحی خود کاربرد گسترده تری به عنوان سنسور در مبدل های کاتالیزوری کنترل اگزوز هوا به منظور کاهش انتشار NOx و مونوکسید کربن در اتومبیل های جدید خواهد داشت.

سایر کاربردهای اکسید سریم

پولیش اکسید سریوم

کاربرد اصلی صنعتی اکسید سریم برای پرداخت به ویژه برای کاربردهای شیمیایی – مکانیکی (CMP) است. با کاربرد در این زمینه بسیاری از اکسیدهای دیگر را که قبلا استفاده می شدند ، مانند اکسید آهن و زیرکونیا را منسوخ کرده است.

اپتیک

از CeO2 برای بی رنگ کردن شیشه های حاوی ناخالصی های آهنی سبز رنگ به اکسیدهای فریک تقریباً بی رنگ استفاده می شود. اکسید سریم در فیلترهای مادون قرمز ، به عنوان یک نوع اکسید کننده در مبدل های کاتالیزوری و به عنوان جایگزینی برای دی اکسید توریم در پوشش های رشته ای مورد استفاده قرار گرفته است. فروش اکسید سریوم شیشه به این منظور کاربرد گسترده ای دارد.

هدایت الکتریکی

با توجه به انتقال یونی و الکترونیکی قابل توجه اکسید سریم می توان از آن به عنوان یک هادی مخلوط با ارزش قابل توجه در تحقیق و توسعه پیل های سوختی استفاده کرد.

کاربردهای پزشکی

نانوذرات اکسید سریم (nanoceria) از نظر فعالیت ضد باکتری و آنتی اکسیدانی بررسی شده است و برای استفاده در پزشکی بسیار مطلوب است.

فوتوکاتالیز

اگرچه این ترکیب در برابر نور مرئی شفاف است ، اما اشعه ماورا بنفش را به شدت جذب می کند ، بنابراین جایگزین احتمالی اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم در کرم های ضد آفتاب است ، زیرا دارای فعالیت فوتوکاتالیستی کمتری است. با این حال ، باید خصوصیات کاتالیزوری حرارتی آن با پوشش ذرات با سیلیس آمورف یا نیترید بور کاهش یابد.

سریا به دلیل هدایت یونی اکسیژن نسبتاً بالا (یعنی اتمهای اکسیژن به راحتی از طریق آن در دمای متوسط ۵۰۰-۶۵۰ درجه سانتی گراد حرکت می کنند) و آنتالپی پایین تر در مقایسه با سیستم های زیرکونیا به عنوان ماده ای برای سلولهای سوختی اکسید جامد (SOFC) مورد توجه است.

شکافت آب

چرخه اکسید سریم (IV) اکسید سریم (III) یا چرخه CeO2 / Ce2O3 یک فرآیند دو مرحله ای تقسیم آب ترموشیمیایی بر اساس اکسید سریم (IV) و اکسید سریم (III) برای تولید هیدروژن است.

آنتی اکسیدان

نانوسریا به عنوان یک آنتی اکسیدان بیولوژیکی مورد توجه قرار گرفته است. نانو ذرات اکسید سریم همچنین کاربرد بالقوه ای برای اصلاح محیط زیست دارد. فعالیت های فوتوکاتالیستی نانولوله ها و نانوذرات CeO2 کاربرد تجاری دارند.