二氧化铈的制备及应用

二氧化铈（CeO2），淡黄或黄褐色粉末，密度7.13g/cm3，熔点2397℃，不溶于水和碱，微溶于酸。氧化铈有毒、无味、无刺激、安全可靠，性能稳定，是优质玻璃澄清剂、脱色剂及化工助剂。

二氧化铈粉末和二氧化铈的晶格结构

制备方法

近年来，随着稀土新材料的迅速发展与广泛应用，人们发现超细粉末二氧化铈具有新的优异的性能。20世纪90年代中期以来，对该领域的研究日益增多，关于纳米二氧化铈的制备方法和应用研究取得了较大的进展。

制备纳米二氧化铈的方法有固相烧结法、液相法、气相法、喷雾热分解法等。

1.1 固相烧结法

固相烧结法是一种传统的粉体制备工艺，是在高温下通过固一固反应制备产品的方法。

例如，采用氯化饰和草酸在低热条件下进行机械力固相化学反应，制备出前驱体草酸铈Ce2(C2O4)3·10H2O，绕后经过热重和差热分析后，再400℃下分解该前驱体2h，可以得到粒度在80nm左右、表面形貌为球形、结构为立方晶系的黄色二氧化铈。

固相烧结法具有产量大、制备工艺简单易行等优点，但由于能耗大、效率低、杂质易混入等缺点，一般使用较少。

1.2 液相法

液相法相对于固相法和气相法而言具有不需苛刻的物理条件、操作方便、粒子可控等优点，从而得到广泛地研究。目前，液相法制备纳米二氧化铈的方法主要包括：沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法等。

（a）沉淀法

沉淀法是液相化学合成高纯度纳米粒子广泛采用的方法，它是把沉淀剂加入金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥和焙烧来制得纳米级氧化物粉末，是典型的液相法，主要包括直接沉淀、均相沉淀、共沉淀等。利用沉淀法制备纳米二氧化铈的报道比较多。

沉淀法中，抑制粒子间的团聚是合成的关键问题。例如，将Ce(NO3)3用氨水沉淀，然后用液氮使凝胶迅速冻结，待其在室温下缓慢融化后进行2次脱水，可以得到平均粒径为7nm，比表面积为89m2/g的纳米二氧化铈粉体。

（b）水热法

水热法是在特制的高压反应釜里，采用水作为介质，通过对高压反应釜加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。水热合成法己用于制备稀土氧化物纳米粉末。

例如，用醇水加热法制备前驱体，再用水热法可以制得平均粒径为10nm左右的Y2O3-CeO2-ZrO2粉体，其粒度分布窄，分散性好。

1.3 气相法

气相法是指两种或两种以上单质或化合物在气相中发生化学反应生成纳米级新化合物的方法。气相法包括低压气体中蒸发法气体冷凝法、活性氢熔融金属反应法、溅射法、通电加热蒸发法、挥发性化合物混合法、激光诱导化学气相沉积等。

例如，可以采用直流磁控反应溅射法，通过调节沉积温度、退火时间、水分压等工艺参数，可以在双轴织构的镍钨合金（Ni-5%W）基带上生长得到二氧化铈过渡层。

1.4 喷雾热分解法

喷雾热分解法制备稀土氧化物超细粉末，由于兼具了液相法和气相法的诸多优点，近几年来成为一种新兴的稀土氧化物超细粉末的制备方法。

喷雾热分解法为一步连续过程，粒子形态均匀可控，无需各种液相法中后续过滤、洗涤、干燥、粉碎和锻烧过程，既简化了操作、有利于工业生产，又避免在上述过程中引入杂质和破坏晶体结构，从而保证产物的高纯度和高活性。目前该法已用于一些稀土氧化物纳米粉体的制备，但未见用其制备纳米二氧化铈的报道。所以各位有兴趣有条件的读者可以尝试一下。

应用

（a）化学抛光粉上的应用

纳米二氧化铈是目前玻璃抛光最常用的磨料，广泛应用于玻璃、光学元件等精密加工，并得到广泛研究。氧化铈抛光粉主要成份为二氧化铈（CeO2），其次分别为氧化镧（La2O3）、氧化镨（Pr2O3）、氧氟化镧（LaOF），此外还含有微量的氧化硅、氧化铝和氧化钙。在抛光粉中影响抛光效果的是CeO2的粒度、纯度及硬度。其中粒度为主要因素，粒度大适合通常的光学元件、眼镜片等的抛光，粒度小适合精细光学镜头的高速抛光。

举例：玻璃作为最普通及基本的无机材料，广泛应用于笔一记本电脑硬盘玻璃基片、数码相机芯片、超精密光学镜头、光学窗口等光学元件，以及光通讯元件、平面显示器等先进电子产品的制造中。超光滑亚纳米级粗糙度、平整、无微观缺陷的玻璃表面已成为关系这些高技术产品性能的重要因素。

化学机械抛光（CMP）是集成电路生产中硅片加工以及整个沉积和蚀刻工艺的重要组成部分，它借助CMP浆料中超微研磨粒子的机械研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用，用专用抛光盘在己制作电路图形的硅片上形成高度平整的表面，是目前能够提供超大规模集成电路制造过程中全局平坦化的一种新技术。

（b）催化剂上的应用

铈作为一种镧系元素，可失去两个6s电子和一个5d电子形成三价离子，也可由于受4f电子排布的影响形成较稳定的4f空轨道，给出四价离子。这种变价特性，使其具有很好的氧化还原性能。二氧化铈不仅具有独特的储氧、放氧功能,而且又是稀土氧化物系列中活性最高的一个氧化物催化剂，因此在许多场合下二氧化铈可作为助剂来提高催化剂的催化性能。

举例：电极在燃料电池电化学反应中作用至关重要，电极不仅是燃料电池中不可缺少的重要组成部分，也兼做电化学反应的催化剂。过渡金属氧化物阳极在性能上有许多其他材料无法比拟之处，主要优势在于它的多氧化态，多种价态共存的情况有助于电子自由迁徙，因此此类电催化剂的活性高于固定价态的点催化剂。

（c）在钢铁行业的应用

稀土元素由于其特殊的原子结构和活性，作为微量添加剂用于钢、铸铁、铝、镍、钨等材料中，能消除杂质、细化晶粒和改善材料组成，从而改进合金的机械、物理和加工性能，提高合金的热稳定性和耐腐蚀性。

举例：以纳米二氧化铈作涂层和添加剂能改善高温合金和不锈钢的抗氧化、热腐蚀、水腐蚀和硫化性能，也可用作球墨铸铁的孕育剂。

（d）用于紫外吸收制品

由于纳米CeO2具有丰富的电子跃迁能级，对紫外光吸收有优异的光学敏感性。加之纳米粒子的小尺寸效应、高比表面效应、宏观量子效应，对紫外光有较强的散射和反射作用。而且CeO2热稳定性好、安全无毒、资源丰富、制备成本低，因此有望成为一种应用于各领域的新型紫外吸收剂。

举例：在高档化妆品中，采用纳米CeO2及SiO2表面包裹的复合物作为主要的紫外线吸收材料，克服TiO2或ZnO颜色有苍白感和紫外吸收率低的缺点。除了可以在化妆品使用外，纳米CeO2还可以添加到聚合物中制得防紫外线老化纤维，制得具有优良防的紫外线遮蔽率及热辐射遮蔽率的化纤面料。性能优于目前所用的TiO2，ZnO，SiO2。此外，纳米CeO2还可以加入涂料中，抵御紫外线，降低聚合物的老化降解速度。

来源：粉体圈