배경 및 일반적인 상황
희토류 원소희토류는 주기율표에서 IIIB족 원소인 스칸듐, 이트륨, 란탄을 대표하며 총 17개 원소가 있습니다. 희토류는 독특한 물리적, 화학적 성질을 지니고 있어 산업, 농업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 희토류 화합물의 순도는 재료의 특성을 직접적으로 결정짓는 중요한 요소입니다. 희토류 재료의 순도에 따라 요구되는 성능이 다른 세라믹 재료, 형광 재료, 전자 재료 등을 생산할 수 있습니다. 현재 희토류 추출 기술의 발전으로 청정 희토류 화합물의 시장 전망이 밝으며, 고성능 희토류 재료 생산을 위해서는 청정 희토류 화합물에 대한 더욱 높은 요구 조건이 필요해지고 있습니다. 세륨 화합물은 활용 범위가 넓으며, 대부분의 응용 분야에서 그 효과는 순도, 물리적 성질, 불순물 함량과 밀접한 관련이 있습니다. 희토류 원소 중 세륨은 경희토류 자원의 약 50%를 차지합니다. 고순도 세륨의 활용이 증가함에 따라 세륨 화합물의 비희토류 함량에 대한 요구 조건 또한 점점 더 높아지고 있습니다.산화세륨산화세륨(CeO₂)은 CAS 번호 1306-38-3, 분자식 1306-38-3, 분자량 172.11을 갖는 희토류 원소 세륨의 가장 안정한 산화물입니다. 상온에서 옅은 노란색 고체이며, 가열하면 색이 진해집니다. 산화세륨은 우수한 특성으로 인해 발광 재료, 촉매, 연마 분말, 자외선 차단제 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다. 최근 들어 많은 연구자들의 관심을 끌고 있으며, 산화세륨의 제조 및 성능 연구는 최근 연구의 주요 관심사로 떠오르고 있습니다.
생산 공정
방법 1: 실온에서 교반하면서 0.1mol/L 황산세륨 용액에 5.0mol/L 수산화나트륨 용액을 첨가하고 pH를 10 이상으로 조절하면 침전 반응이 일어난다. 침전물을 펌핑하여 제거하고 탈이온수로 여러 번 세척한 후 90℃ 오븐에서 24시간 동안 건조한다. 분쇄 및 여과(입자 크기 0.1mm 미만) 후 산화세륨을 얻어 건조하고 밀폐된 장소에 보관한다. 방법 2: 염화세륨 또는 질산세륨을 원료로 사용하여 암모니아수로 pH를 2로 조절하고 옥살산을 첨가하여 옥살산세륨을 침전시킨다. 가열, 경화, 분리 및 세척 후 110℃에서 건조하고 900~1000℃에서 소성하여 산화세륨을 얻는다. 산화세륨은 산화세륨과 탄소 분말의 혼합물을 일산화탄소 분위기에서 1250℃로 가열함으로써 얻을 수 있다.
애플리케이션
산화세륨은 유리 산업 첨가제, 판유리 연마재로 사용되며, 유리 연마, 광학 렌즈, 키네스코프, 표백, 투명화, 자외선 차단 유리 및 전자 전선 흡수 등에까지 적용 범위가 확대되었습니다. 또한 안경 렌즈의 반사 방지제로도 사용되며, 세륨은 세륨 티타늄 황색을 만들어 유리를 밝은 노란색으로 만드는 데 사용됩니다. 희토류 산화 전선은 CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂계 유리 세라믹의 결정화 및 특성에 일정한 영향을 미칩니다. 연구 결과에 따르면 적절한 산화 전선을 첨가하면 유리액의 투명도 향상, 기포 제거, 유리 구조의 치밀화, 기계적 특성 및 내알칼리성 향상에 도움이 됩니다. 세라믹 유약 및 전자 산업에서 압전 세라믹 침투제로 사용할 때 산화세륨의 최적 첨가량은 1.5입니다. 세륨은 고활성 촉매, 가스 램프 백열등 커버, X선 형광 스크린(주로 렌즈 연마제로 사용) 제조에도 사용됩니다. 희토류 세륨 연마 분말은 카메라, 카메라 렌즈, 텔레비전 브라운관, 렌즈 등에 널리 사용됩니다. 또한 유리 산업에도 사용됩니다. 산화세륨과 이산화티타늄을 함께 사용하면 유리를 황갈색으로 만들 수 있습니다. 유리 탈색용 산화세륨은 고온에서도 안정적인 성능, 저렴한 가격, 가시광선을 흡수하지 않는다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 건물과 자동차에 사용되는 유리에 첨가하여 자외선 투과율을 낮추는 데 사용됩니다. 희토류 발광 재료 생산 시, 산화세륨은 에너지 절약형 램프의 발광 재료와 지시등 및 방사선 검출기에 사용되는 형광체에 사용되는 희토류 삼색 형광체의 활성제로 첨가됩니다. 산화세륨은 금속 세륨 제조의 원료이기도 합니다. 또한, 반도체 재료, 고급 안료 및 감광성 유리 감광제, 자동차 배기가스 정화제 등에 널리 사용되고 있습니다. 자동차 배기가스 정화용 촉매는 주로 벌집형 세라믹(또는 금속) 담체와 표면 활성 코팅으로 구성됩니다. 활성 코팅은 넓은 면적의 삼산화감마, 표면적을 안정화하는 적절한 양의 산화물, 그리고 코팅 내에 분산된 촉매 활성 금속으로 이루어져 있습니다. 고가의 Pt, Rh 사용량을 줄이고 상대적으로 저렴한 Pd 사용량을 늘려 촉매 비용을 절감하면서도 다양한 성능을 유지하는 자동차 배기가스 정화 촉매를 개발하기 위해 일반적으로 Pt, Pd, Rh 삼원계 촉매 코팅을 사용합니다. 이 코팅은 보통 전침법으로 제조되며, 일정량의 산화세륨과 산화란탄을 첨가하여 희토류 촉매 효과를 극대화합니다. 이러한 귀금속 삼원계 촉매에서 산화란탄과 산화세륨은 α-알루미나 담지 귀금속 촉매의 성능 향상을 위한 보조제로 사용됩니다. 연구에 따르면 산화세륨과 산화란탄의 촉매 작용 메커니즘은 주로 활성 코팅의 촉매 활성을 향상시키고, 공기-연료 비율과 촉매 작용을 자동으로 조절하며, 담체의 열 안정성과 기계적 강도를 향상시키는 데 있다.