Свойства и применение гидроксида церия 

Гидроксид церия (Ce(OH)₄) является важным представителем семейства гидроксидов редкоземельных элементов. Благодаря уникальному изменению валентности Ce³⁺/Ce⁴⁺, превосходным окислительно-восстановительным свойствам и химической стабильности, он играет решающую роль в различных высокотехнологичных областях, таких как экологический катализ, высокоточное производство, новые источники энергии и биомедицина.

I. Основные физико-химические свойства гидроксида церия
Гидроксильд церия обладает как общими характеристиками типичных гидроксидов редкоземельных элементов, так и уникальными свойствами церия, что в первую очередь отражается в его физической морфологии, химической активности и вариациях размера. Эти характеристики в совокупности лежат в основе его разнообразных применений.

(I) Основные физические свойства
При комнатной температуре и давлении гидроксид церия представляет собой бледно-желтый или светло-коричневый порошок или комковатое твердое вещество без явного запаха. Его кристаллическая структура незначительно варьируется в зависимости от процесса получения, обычно представляя собой аморфную или слабокристаллическую структуру. Его основные физические параметры следующие: молекулярная масса приблизительно 208,14 (рассчитанная как Ce(OH)₄), насыпная плотность обычно составляет 1,8–2,2 г/см³, нерастворим в воде и слабых кислотах, лишь медленно растворяется в сильных неорганических кислотах, таких как концентрированная соляная и азотная кислоты, образуя соответствующие растворы солей церия.

(II) Ключевые химические свойства. Наиболее важной химической характеристикой гидроксида церия является способность церия к изменению валентности Ce³⁺/Ce⁴⁺, что обеспечивает ему превосходные окислительно-восстановительные свойства и способность к хранению и высвобождению кислорода, являясь ключевым преимуществом в области катализа. На воздухе он легко поглощает углекислый газ с образованием карбоната церия, что приводит к ухудшению его качества; поэтому его необходимо хранить в герметичном контейнере. Он обладает высокой химической стабильностью и не легко разлагается при комнатной температуре. Кроме того, гидроксид церия чрезвычайно трудно растворяется в водных растворах, что позволяет ему стабильно удалять ионы тяжелых металлов путем адсорбции при очистке сточных вод.

II. Основные области применения гидроксида церия

Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам гидроксид церия нашел широкое применение в различных отраслях промышленности, при этом основными рынками сбыта являются катализ, стекольная промышленность, прецизионная полировка и новые источники энергии.

(I) Катализ: «зеленый двигатель» для защиты окружающей среды и энергетики

Катализ является основным сценарием применения гидроксида церия, на который приходится более 40% мирового спроса, при этом основным применением является очистка выхлопных газов автомобилей. Используя способность Ce³⁺/Ce⁴⁺ к окислительно-восстановительному циклу, гидроксид церия, как ключевая добавка в трехкомпонентных катализаторах, может эффективно накапливать и высвобождать кислород, способствуя окислению монооксида углерода (CO) и углеводородов (HC) и восстановлению оксидов азота (NOₓ) в выхлопных газах. Это значительно повышает эффективность очистки и устойчивость катализатора к отравлению, делая его ключевым материалом для соответствия строгим стандартам выбросов, таким как Китай VI и Евро VI. В области промышленной защиты окружающей среды его можно использовать в таких реакциях, как каталитическое сжигание летучих органических соединений (ЛОС) и денитрификация дымовых газов, повышая активность и срок службы катализаторов. В области катализа новых источников энергии, в качестве каталитической добавки для протонно-обменных мембран в топливных элементах, он может повысить эффективность окисления водорода, снизить энергопотребление и способствовать развитию транспортных средств на новых источниках энергии и распределенных энергетических систем.

(II) Стекольная и керамическая промышленность: «Функциональная добавка» для улучшения качества
В стекольной промышленности гидроксид церия является высококачественным обесцвечивающим и осветляющим агентом. Окисляя Fe²⁺ в стекле до Fe³⁺, он эффективно устраняет зеленую окраску стекла и удаляет пузырьки, образующиеся при плавлении стекла, значительно улучшая прозрачность и оптические свойства стекла. Он широко используется в производстве стекла для цветных телевизоров, оптического стекла и сверхпрозрачного фотоэлектрического стекла. В керамической промышленности добавление его в керамические изделия или глазури может значительно улучшить твердость, коррозионную стойкость и термостойкость материала, а также придать глазури уникальный молочно-белый или светло-желтый цвет, обогащая декоративный эффект керамических изделий. Кроме того, в производстве стекла, защищающего от излучения, гидроксид церия может повысить устойчивость стекла к УФ-излучению и химическую стабильность, расширяя области применения стекла. (III) Точная полировка: основной прекурсор для высокотехнологичного производства
Гидрат церия является основным прекурсором для получения высокоэффективного полировального порошка на основе оксида церия. Благодаря точному контролю размера частиц, чистоты и кристаллической морфологии можно получать полировальные агенты с высокой эффективностью полировки и низким уровнем царапин на поверхности. Эти полирующие агенты широко используются для полировки поверхности прецизионных устройств, таких как оптическое стекло, жидкокристаллические дисплеи (ЖКД), складное ультратонкое стекло и сапфировые подложки, и являются ключевыми материалами для обеспечения качества изображения и эксплуатационной стабильности высокотехнологичных электронных устройств.

(IV) Защита окружающей среды и очистка воды: высокоэффективный материал для очистки воды
Благодаря своим сильным окислительным свойствам и большой удельной поверхности гидроксид церия демонстрирует превосходные характеристики в области очистки воды. При очистке промышленных сточных вод он может эффективно разлагать органические загрязнители, такие как красители, пестициды и фенолы, одновременно и стабильно удаляя из воды ионы тяжелых металлов, таких как свинец (Pb²⁺), ртуть (Hg²⁺) и хром (Cr⁶⁺), путем адсорбции, снижая риск загрязнения воды. В области очистки питьевой воды он способен удалять следы органических веществ, бактерии и запахи из воды, улучшая качество питьевой воды и удовлетворяя современные требования к водоподготовке, требующие эффективных и экологически чистых материалов.

(V) Перспективные области применения: биомедицина и новые источники энергии

В биомедицине антиоксидантные свойства гидроксида церия позволяют ему нейтрализовать свободные радикалы, что делает его пригодным для разработки антивозрастной косметики и продуктов для здоровья, облегчающих заболевания, связанные с окислительным стрессом. Он также может использоваться в качестве добавки к покрытиям медицинских имплантатов (например, искусственных суставов), улучшая коррозионную стойкость и биосовместимость материала. В области новых источников энергии, в качестве легирующей добавки в катодных материалах литий-ионных батарей, он может значительно улучшить проводимость электрода, циклическую стабильность и емкость.