Contexte et situation générale
éléments des terres raresLes terres rares constituent la base du groupe IIIB du tableau périodique, avec le scandium, l'yttrium et le lanthane. Ce groupe comprend 17 éléments. Les terres rares possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques et sont largement utilisées dans l'industrie, l'agriculture et d'autres domaines. La pureté des composés de terres rares détermine directement les propriétés spécifiques des matériaux. Différents niveaux de pureté permettent de produire des matériaux céramiques, fluorescents et électroniques aux performances variées. Actuellement, grâce au développement des techniques d'extraction des terres rares, les composés de terres rares purs présentent de bonnes perspectives de marché, et la préparation de matériaux de terres rares hautes performances impose des exigences accrues en matière de pureté. Le cérium a de nombreuses applications, et son efficacité dépend de sa pureté, de ses propriétés physiques et de sa teneur en impuretés. Dans la répartition des terres rares, le cérium représente environ 50 % des ressources en terres rares légères. Avec l'utilisation croissante du cérium de haute pureté, les exigences relatives à la teneur en éléments autres que les terres rares pour les composés de cérium sont de plus en plus élevées.Oxyde de cériumL'oxyde de cérium (CeO₂) est l'oxyde le plus stable du cérium, un élément des terres rares. Solide jaune pâle à température ambiante, il fonce lorsqu'il est chauffé. Grâce à ses excellentes performances, il est largement utilisé dans les matériaux luminescents, les catalyseurs, les poudres à polir, les filtres UV et d'autres applications. Ces dernières années, il a suscité un vif intérêt chez les chercheurs, et sa synthèse et ses propriétés sont devenues un sujet de recherche majeur.
Processus de production
Méthode 1 : Sous agitation à température ambiante, ajouter une solution d’hydroxyde de sodium à 5,0 mol/L à une solution de sulfate de cérium à 0,1 mol/L, ajuster le pH à une valeur supérieure à 10, puis provoquer la précipitation. Le précipité est pompé, lavé plusieurs fois à l’eau déminéralisée, puis séché à l’étuve à 90 °C pendant 24 heures. Après broyage et filtration (granulométrie inférieure à 0,1 mm), l’oxyde de cérium est obtenu et conservé dans un endroit sec et hermétique. Méthode 2 : À partir de chlorure de cérium ou de nitrate de cérium, ajuster le pH à 2 avec de l’ammoniaque, ajouter de l’oxalate pour précipiter l’oxalate de cérium, puis chauffer, laisser durcir, séparer et laver le précipité, sécher à 110 °C, puis le calciner à 900-1000 °C pour obtenir l’oxyde de cérium. L’oxyde de cérium peut également être obtenu par chauffage d’un mélange d’oxyde de cérium et de poudre de carbone à 1250 °C sous atmosphère de monoxyde de carbone.
Application
L'oxyde de cérium est utilisé comme additif dans l'industrie verrière, notamment pour le polissage du verre plat. Son utilisation s'est étendue au polissage du verre, aux lentilles optiques, aux cinémascopes, au blanchiment, à la clarification, à la protection contre les ultraviolets et à l'absorption des fils conducteurs électroniques. Il sert également d'agent antireflet pour les verres de lunettes et entre dans la composition du jaune de cérium-titane, qui confère au verre une teinte jaune clair. L'oxyde de terres rares influence la cristallisation et les propriétés des vitrocéramiques du système CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂. Les résultats de recherche montrent qu'un ajout approprié d'oxyde de cérium améliore la clarification du verre liquide, élimine les bulles, compacte sa structure et améliore ses propriétés mécaniques et sa résistance aux alcalis. La quantité optimale d'oxyde de cérium est de 1,5 pour son utilisation dans les émaux céramiques et comme pénétrant piézoélectrique dans l'industrie électronique. Il est également utilisé dans la fabrication de catalyseurs à haute activité, de couvercles de lampes à incandescence et d'écrans fluorescents pour rayons X (principalement comme agent de polissage des lentilles). La poudre de cérium, un composé de terres rares, est largement utilisée dans les appareils photo, les objectifs, les tubes cathodiques de téléviseurs, les lentilles, etc. Elle trouve également son emploi dans l'industrie verrière. L'oxyde de cérium et le dioxyde de titane peuvent être utilisés conjointement pour jaunir le verre. L'oxyde de cérium, utilisé pour la décoloration du verre, présente l'avantage d'une grande stabilité à haute température, d'un faible coût et d'une absence d'absorption de la lumière visible. De plus, il est ajouté au verre utilisé dans le bâtiment et l'automobile afin de réduire la transmission des ultraviolets. Pour la production de matériaux luminescents à base de terres rares, l'oxyde de cérium sert d'activateur dans les phosphores tricolores utilisés dans les lampes à économie d'énergie, les indicateurs et les détecteurs de radiations. Il constitue également une matière première pour la synthèse du cérium métallique. Enfin, l'oxyde de cérium est largement utilisé dans les matériaux semi-conducteurs, les pigments de haute qualité, les sensibilisateurs pour verres photosensibles et les systèmes de purification des gaz d'échappement automobiles. Le catalyseur de ces systèmes est principalement composé d'un support en céramique (ou en métal) en nid d'abeille et d'un revêtement activé en surface. Le revêtement activé est constitué d'une large surface de trioxyde gamma, d'une quantité appropriée d'oxydes stabilisant la surface, et d'un métal à activité catalytique dispersé au sein du revêtement. Afin de réduire le dosage coûteux de Pt et Rh, et d'augmenter celui de Pd, relativement bon marché, on utilise couramment un catalyseur ternaire Pt-Pd-Rh. Ce dernier est activé par immersion totale, ce qui permet d'obtenir un catalyseur à base de terres rares présentant une excellente activité catalytique. L'oxyde de lanthane et l'oxyde de cérium sont utilisés comme auxiliaires pour améliorer les performances des catalyseurs à base de métaux nobles supportés sur alumine. Selon les recherches, le mécanisme catalytique de l'oxyde de cérium et de l'oxyde de lanthane consiste principalement à améliorer l'activité catalytique du revêtement actif, à ajuster automatiquement le rapport air-carburant et la catalyse, et à améliorer la stabilité thermique et la résistance mécanique du support.