Hintergrund und allgemeine Situation
Seltene ErdenSeltene Erden bilden die Basis der Elemente IIIB (Scandium, Yttrium und Lanthan) im Periodensystem. Es gibt 17 Elemente. Seltene Erden besitzen einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften und finden breite Anwendung in Industrie, Landwirtschaft und anderen Bereichen. Die Reinheit von Seltenerdverbindungen bestimmt direkt die spezifischen Eigenschaften der Materialien. Seltene Erden unterschiedlicher Reinheit ermöglichen die Herstellung von Keramik-, Fluoreszenz- und Elektronikmaterialien mit verschiedenen Leistungsanforderungen. Mit der Weiterentwicklung der Seltenerdgewinnungstechnologie bieten reine Seltenerdverbindungen derzeit gute Marktchancen, und die Herstellung von Hochleistungsmaterialien stellt höhere Anforderungen an die Reinheit dieser Verbindungen. Cerverbindungen haben ein breites Anwendungsspektrum, wobei ihre Wirkung in den meisten Anwendungen von ihrer Reinheit, ihren physikalischen Eigenschaften und ihrem Verunreinigungsgehalt abhängt. Cer macht etwa 50 % der leichten Seltenerdressourcen aus. Mit der zunehmenden Anwendung von hochreinem Cer steigen die Anforderungen an den Gehalt an Nicht-Seltenerdelementen in Cerverbindungen stetig.CeroxidCeroxid (CAS-Nr. 1306-38-3, Summenformel CeO₂, Molekulargewicht 172,11 g/mol) ist das stabilste Oxid des Seltenerdelements Cer. Es ist bei Raumtemperatur ein blassgelber Feststoff und dunkelt beim Erhitzen nach. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften findet Ceroxid breite Anwendung in Leuchtstoffen, Katalysatoren, Polierpulvern, UV-Schutzmaterialien und anderen Bereichen. In den letzten Jahren hat es das Interesse vieler Forscher geweckt. Die Herstellung und die Eigenschaften von Ceroxid sind daher zu einem Forschungsschwerpunkt geworden.
Produktionsprozess
Methode 1: Bei Raumtemperatur wird eine 5,0 mol/L Natriumhydroxidlösung zu einer 0,1 mol/L Cersulfatlösung gegeben. Der pH-Wert wird auf über 10 eingestellt, woraufhin die Fällungsreaktion erfolgt. Das Sediment wird abgepumpt, mehrmals mit deionisiertem Wasser gewaschen und anschließend 24 Stunden bei 90 °C im Trockenschrank getrocknet. Nach dem Mahlen und Filtrieren (Partikelgröße < 0,1 mm) wird Ceroxid erhalten und trocken und verschlossen gelagert. Methode 2: Cerchlorid oder Cernitrat werden als Rohstoffe verwendet. Der pH-Wert wird mit Ammoniakwasser auf 2 eingestellt. Durch Zugabe von Oxalat fällt Ceroxalat aus. Nach Erhitzen, Härten, Abtrennen und Waschen wird das Produkt bei 110 °C getrocknet und anschließend bei 900–1000 °C zu Ceroxid verbrannt. Alternativ kann Ceroxid durch Erhitzen eines Gemisches aus Ceroxid und Kohlenstoffpulver bei 1250 °C in einer Kohlenmonoxidatmosphäre gewonnen werden.
Anwendung
Ceroxid wird in der Glasindustrie als Zusatzstoff und in Mahlwerkstoffen für Flachglas eingesetzt. Seine Anwendung erstreckt sich auch auf das Glasschleifen, optische Linsen, Kineskope, Bleichmittel, Klärmittel, UV-Schutzgläser und die Absorption elektronischer Leiter. Es dient außerdem als Antireflexionsbeschichtung für Brillengläser und wird zur Herstellung von hellgelbem Glas verwendet. Die Oxidationsfront der Seltenerdmetalle beeinflusst die Kristallisation und die Eigenschaften von Glaskeramiken im System CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Zugabe einer geeigneten Oxidationsfront die Klärwirkung der Glasschmelze verbessert, Blasenbildung reduziert, die Glasstruktur verdichtet und die mechanischen Eigenschaften sowie die Alkalibeständigkeit des Materials erhöht. Die optimale Zugabemenge von Ceroxid beträgt 1,5, wenn es in der Keramikglasur- und Elektronikindustrie als piezoelektrisches Keramikpenetrationsmittel eingesetzt wird. Es wird auch zur Herstellung von hochaktiven Katalysatoren, Glühlampenabdeckungen und Röntgenfluoreszenzschirmen (hauptsächlich als Linsenpoliermittel) verwendet. Seltenerd-Cer-Polierpulver findet breite Anwendung in Kameras, Kameraobjektiven, Bildröhren von Fernsehgeräten, Linsen usw. Es kann auch in der Glasindustrie eingesetzt werden. Ceroxid und Titandioxid können gemeinsam zur Gelbfärbung von Glas verwendet werden. Ceroxid zur Glasentfärbung zeichnet sich durch hohe Temperaturstabilität, niedrigen Preis und die fehlende Absorption von sichtbarem Licht aus. Darüber hinaus wird Ceroxid Glas für Gebäude und Fahrzeuge zugesetzt, um die UV-Lichtdurchlässigkeit zu reduzieren. Bei der Herstellung von Seltenerd-Leuchtstoffen dient Ceroxid als Aktivator in den Seltenerd-Dreifarbenphosphoren, die in Energiesparlampen und in Indikatoren und Strahlungsdetektoren verwendet werden. Ceroxid ist außerdem ein Rohstoff für die Herstellung von metallischem Cer. Darüber hinaus finden Halbleitermaterialien, hochwertige Pigmente und lichtempfindliche Glas-Sensibilisatoren sowie Abgasreiniger breite Anwendung. Der Katalysator für die Abgasreinigung besteht hauptsächlich aus einem wabenförmigen Keramik- (oder Metall-)Träger und einer oberflächenaktivierten Beschichtung. Diese Beschichtung setzt sich aus einer großflächigen Gamma-Trioxid-Schicht, einer geeigneten Menge an Oxiden zur Oberflächenstabilisierung und einem in der Beschichtung dispergierten Metall mit katalytischer Aktivität zusammen. Um die teuren Platin- und Rhodium-Dosierungen zu reduzieren, kann die Dosierung von Palladium erhöht werden, da dies vergleichsweise kostengünstig ist. So lassen sich die Katalysatorkosten senken, ohne die Leistung der Abgasreinigungskatalysatoren zu beeinträchtigen. Üblicherweise wird eine Pt-Pd-Rh-aktivierte ternäre Katalysatorbeschichtung verwendet, die in der Regel durch vollständiges Eintauchen mit einer bestimmten Menge Ceroxid und Lanthanoxid angereichert wird. Dadurch entsteht ein seltener, katalytisch wirksamer Edelmetall-Ternärkatalysator. Lanthanoxid und Ceroxid dienen als Hilfsstoffe zur Leistungssteigerung von Edelmetallkatalysatoren auf Aluminiumoxid-Trägern. Laut den Untersuchungen besteht der katalytische Mechanismus von Ceroxid und Lanthanoxid hauptsächlich darin, die katalytische Aktivität der aktiven Beschichtung zu verbessern, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Katalyse automatisch anzupassen und die thermische Stabilität und mechanische Festigkeit des Trägers zu verbessern.