أكسيد السيريوم

الخلفية والوضع العام

العناصر الأرضية النادرةتُعدّ عناصر الأرض النادرة، وهي السكانديوم والإتريوم واللانثانوم، من العناصر الأساسية في المجموعة الثالثة (IIIB) من الجدول الدوري. يوجد 17 عنصرًا في الجدول الدوري. تتميز عناصر الأرض النادرة بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة، وقد استُخدمت على نطاق واسع في الصناعة والزراعة وغيرها من المجالات. تُحدد نقاوة مركبات الأرض النادرة بشكل مباشر الخصائص المميزة للمواد. ويمكن إنتاج مواد خزفية ومواد فلورية ومواد إلكترونية بدرجات نقاء مختلفة، وذلك باستخدام مواد الأرض النادرة ذات متطلبات أداء متباينة. في الوقت الحاضر، ومع تطور تقنيات استخلاص عناصر الأرض النادرة، تُبشّر مركبات الأرض النادرة النقية بآفاق سوقية واعدة، كما أن تحضير مواد الأرض النادرة عالية الأداء يفرض متطلبات أعلى على نقاوة هذه المركبات. لمركب السيريوم استخدامات واسعة النطاق، ويرتبط تأثيره في معظم التطبيقات بنقائه وخصائصه الفيزيائية ومحتوى الشوائب فيه. يُشكّل السيريوم حوالي 50% من موارد الأرض النادرة الخفيفة ضمن توزيع عناصر الأرض النادرة. ومع تزايد استخدام السيريوم عالي النقاوة، يزداد الطلب على مؤشر محتوى العناصر غير النادرة في مركبات السيريوم.أكسيد السيريومأكسيد السيريوم، رقم CAS الخاص به هو 1306-38-3، وصيغته الجزيئية CeO2، ووزنه الجزيئي 172.11؛ وهو أكثر أكاسيد عنصر السيريوم استقرارًا. يكون لونه أصفر باهتًا عند درجة حرارة الغرفة، ويصبح لونه أغمق عند تسخينه. يُستخدم أكسيد السيريوم على نطاق واسع في المواد المضيئة، والمحفزات، ومساحيق التلميع، والحماية من الأشعة فوق البنفسجية، وغيرها من المجالات نظرًا لأدائه الممتاز. وقد أثار اهتمام العديد من الباحثين في السنوات الأخيرة، وأصبح تحضيره ودراسة خصائصه من أهم المواضيع البحثية.

عملية الإنتاج

الطريقة الأولى: يُحرّك المزيج عند درجة حرارة الغرفة، ثم يُضاف محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 5.0 مول/لتر إلى محلول كبريتات السيريوم بتركيز 0.1 مول/لتر، ويُضبط الرقم الهيدروجيني (pH) ليكون أكبر من 10، فيحدث تفاعل الترسيب. يُضخ الراسب، ويُغسل عدة مرات بالماء منزوع الأيونات، ثم يُجفف في فرن عند درجة حرارة 90 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. بعد الطحن والترشيح (بحجم جسيمات أقل من 0.1 مم)، يُحصل على أكسيد السيريوم ويُحفظ في مكان جاف ومحكم الإغلاق. الطريقة الثانية: باستخدام كلوريد السيريوم أو نترات السيريوم كمواد خام، يُضبط الرقم الهيدروجيني (pH) إلى 2 باستخدام محلول الأمونيا، ثم يُضاف الأكسالات لترسيب أكسالات السيريوم. بعد التسخين والمعالجة والفصل والغسل، يُجفف المزيج عند درجة حرارة 110 درجة مئوية، ثم يُحرق للحصول على أكسيد السيريوم عند درجة حرارة تتراوح بين 900 و1000 درجة مئوية. يمكن الحصول على أكسيد السيريوم عن طريق تسخين خليط من أكسيد السيريوم ومسحوق الكربون عند درجة حرارة 1250 درجة مئوية في جو من أول أكسيد الكربون.

                      

طلب

يُستخدم أكسيد السيريوم كمضاف في صناعة الزجاج، ومواد طحن الزجاج المسطح، وقد توسع استخدامه ليشمل طحن الزجاج، والعدسات البصرية، وأجهزة العرض السينمائي، والتبييض، والتوضيح، وحماية الزجاج من الأشعة فوق البنفسجية، وامتصاص الأسلاك الإلكترونية، وغيرها. كما يُستخدم كطبقة مضادة للانعكاس في عدسات النظارات، ويُستخدم السيريوم أيضًا في تلوين زجاج تيتانيوم السيريوم باللون الأصفر الفاتح. يؤثر مستوى أكسدة العناصر الأرضية النادرة بشكل ملحوظ على تبلور وخصائص السيراميك الزجاجي في نظام CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂. تُظهر نتائج الأبحاث أن إضافة مستوى مناسب من الأكسدة يُحسّن من فعالية تصفية الزجاج السائل، ويزيل الفقاعات، ويجعل بنية الزجاج أكثر تماسكًا، ويُحسّن الخواص الميكانيكية ومقاومة المواد للقلويات. تبلغ الكمية المثلى لإضافة أكسيد السيريوم 1.5 عند استخدامه في طلاء السيراميك وفي الصناعات الإلكترونية كمادة مُخترقة للسيراميك الكهروإجهادي. يُستخدم أيضًا في صناعة المحفزات عالية النشاط، وأغطية مصابيح الغاز المتوهجة، وشاشات الأشعة السينية الفلورية (يُستخدم بشكل أساسي في مواد تلميع العدسات). ويُستخدم مسحوق تلميع السيريوم الأرضي النادر على نطاق واسع في الكاميرات وعدساتها، وأنابيب صور التلفزيون، والعدسات، وغيرها. كما يُستخدم في صناعة الزجاج. ويمكن استخدام أكسيد السيريوم وثاني أكسيد التيتانيوم معًا لتفتيح لون الزجاج. يتميز أكسيد السيريوم المستخدم في إزالة لون الزجاج بثبات أدائه في درجات الحرارة العالية، وانخفاض سعره، وعدم امتصاصه للضوء المرئي. بالإضافة إلى ذلك، يُضاف أكسيد السيريوم إلى الزجاج المستخدم في المباني والسيارات لتقليل نفاذية الأشعة فوق البنفسجية. وفي إنتاج المواد المضيئة الأرضية النادرة، يُضاف أكسيد السيريوم كمنشط في الفوسفور ثلاثي الألوان الأرضي النادر المستخدم في المواد المضيئة لمصابيح توفير الطاقة، والفوسفور المستخدم في المؤشرات وأجهزة الكشف عن الإشعاع. كما يُعد أكسيد السيريوم مادة خام لتحضير معدن السيريوم. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم مُحسِّن عوادم السيارات على نطاق واسع في مواد أشباه الموصلات، والأصباغ عالية الجودة، ومُحسِّسات الزجاج الضوئي. يتكون المُحفِّز المستخدم في تنقية عوادم السيارات بشكل أساسي من حامل خزفي (أو معدني) على شكل قرص العسل، وطبقة مُنشَّطة سطحيًا. تتكون هذه الطبقة المُنشَّطة من مساحة كبيرة من أكسيد غاما الثلاثي، وكمية مناسبة من الأكاسيد التي تُثبِّت مساحة السطح، ومعدن ذي نشاط تحفيزي مُوزَّع داخل الطبقة. ولتقليل تكلفة البلاتين والروديوم، وزيادة جرعة البلاديوم الأقل تكلفة نسبيًا، وبالتالي تقليل تكلفة المُحفِّز دون التأثير على أدائه، يُستخدم عادةً طلاء مُحفِّز ثلاثي من البلاتين والبلاديوم والروديوم، والذي يتم تنشيطه عادةً بطريقة الغمر الكامل بإضافة كمية مُحدَّدة من أكسيد السيريوم وأكسيد اللانثانوم، مما يُشكِّل مُحفِّزًا ثلاثيًا من المعادن الأرضية النادرة ذو تأثير تحفيزي ممتاز. استُخدم أكسيد اللانثانوم وأكسيد السيريوم كمواد مساعدة لتحسين أداء المحفزات المعدنية النبيلة المدعومة بألومينا ألفا. ووفقًا للبحث، فإن آلية التحفيز لأكسيد السيريوم وأكسيد اللانثانوم تتمثل أساسًا في تحسين النشاط التحفيزي للطبقة النشطة، وضبط نسبة الهواء إلى الوقود والتحفيز تلقائيًا، وتحسين الاستقرار الحراري والمتانة الميكانيكية للحامل.