ข้อมูลเบื้องต้นและสถานการณ์ทั่วไป
ธาตุหายากธาตุหายากคือธาตุในกลุ่ม IIIB ได้แก่ สแกนเดียม อิตเทรียม และแลนทานัม ในตารางธาตุ มีทั้งหมด 17 ธาตุ ธาตุหายากมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ และถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม การเกษตร และสาขาอื่นๆ ความบริสุทธิ์ของสารประกอบธาตุหายากเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติพิเศษของวัสดุโดยตรง วัสดุธาตุหายากที่มีความบริสุทธิ์ต่างกันสามารถผลิตวัสดุเซรามิก วัสดุเรืองแสง และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่มีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ปัจจุบัน ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการสกัดธาตุหายาก สารประกอบธาตุหายากที่บริสุทธิ์จึงมีอนาคตที่ดีในตลาด และการเตรียมวัสดุธาตุหายากประสิทธิภาพสูงทำให้เกิดความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับสารประกอบธาตุหายากที่บริสุทธิ์ สารประกอบซีเรียมมีประโยชน์ใช้สอยมากมาย และผลกระทบในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความบริสุทธิ์ คุณสมบัติทางกายภาพ และปริมาณสิ่งเจือปน ในการกระจายตัวของธาตุหายาก ซีเรียมคิดเป็นประมาณ 50% ของทรัพยากรธาตุหายากประเภทเบา ด้วยการใช้งานซีเรียมที่มีความบริสุทธิ์สูงเพิ่มมากขึ้น ความต้องการดัชนีปริมาณสิ่งเจือปนในสารประกอบซีเรียมจึงสูงขึ้นเรื่อยๆเซเรียมออกไซด์เซเรียมออกไซด์ (Ceric oxide) มีหมายเลข CAS คือ 1306-38-3 สูตรโมเลกุลคือ CeO2 น้ำหนักโมเลกุล 172.11 เซเรียมออกไซด์เป็นออกไซด์ที่เสถียรที่สุดของธาตุหายากซีเรียม มีลักษณะเป็นของแข็งสีเหลืองอ่อนที่อุณหภูมิห้องและจะเปลี่ยนเป็นสีเข้มขึ้นเมื่อได้รับความร้อน เซเรียมออกไซด์ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในวัสดุเรืองแสง ตัวเร่งปฏิกิริยา ผงขัดเงา สารป้องกันรังสียูวี และด้านอื่นๆ เนื่องจากมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซเรียมออกไซด์ได้รับความสนใจจากนักวิจัยจำนวนมาก การเตรียมและการใช้งานของเซเรียมออกไซด์จึงกลายเป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน
กระบวนการผลิต
วิธีที่ 1: คนสารละลายที่อุณหภูมิห้อง เติมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 5.0 โมล/ลิตร ลงในสารละลายซีเรียมซัลเฟต 0.1 โมล/ลิตร ปรับค่า pH ให้มากกว่า 10 เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาการตกตะกอน สูบตะกอนออก ล้างหลายครั้งด้วยน้ำปราศจากไอออน แล้วอบแห้งในเตาอบที่ 90 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 24 ชั่วโมง หลังจากบดและกรอง (ขนาดอนุภาคเล็กกว่า 0.1 มิลลิเมตร) จะได้ซีเรียมออกไซด์ และเก็บไว้ในที่แห้งในภาชนะปิดสนิท วิธีที่ 2: ใช้ซีเรียมคลอไรด์หรือซีเรียมไนเตรตเป็นวัตถุดิบ ปรับค่า pH ให้เป็น 2 ด้วยน้ำแอมโมเนีย เติมออกซาเลตเพื่อตกตะกอนซีเรียมออกซาเลต หลังจากให้ความร้อน บ่ม แยก และล้าง อบแห้งที่ 110 องศาเซลเซียส แล้วเผาเพื่อให้ได้ซีเรียมออกไซด์ที่ 900-1000 องศาเซลเซียส สามารถผลิตซีเรียมออกไซด์ได้โดยการให้ความร้อนแก่ส่วนผสมของซีเรียมออกไซด์และผงคาร์บอนที่อุณหภูมิ 1250 องศาเซลเซียส ในบรรยากาศของคาร์บอนมอนอกไซด์
แอปพลิเคชัน
เซเรียมออกไซด์ใช้เป็นสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมแก้ว วัสดุสำหรับเจียรกระจกแผ่น และขยายการใช้งานไปยังกระจกเจียร เลนส์ออปติคอล กล้องถ่ายภาพยนตร์ การฟอกขาว การทำให้ใส กระจกกันรังสีอัลตราไวโอเลต และการดูดซับรังสีของสายไฟอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น นอกจากนี้ยังใช้เป็นสารป้องกันการสะท้อนแสงสำหรับเลนส์แว่นตา และเซเรียมยังใช้ในการผลิตเซเรียมไทเทเนียมสีเหลืองเพื่อให้กระจกมีสีเหลืองอ่อน แนวออกซิเดชันของธาตุหายากมีอิทธิพลต่อการตกผลึกและคุณสมบัติของเซรามิกแก้วในระบบ CaO-MgO-Al2O3-SiO2 ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเติมแนวออกซิเดชันที่เหมาะสมนั้นเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงผลการทำให้ใสของของเหลวแก้ว กำจัดฟองอากาศ ทำให้โครงสร้างแก้วแน่นขึ้น และปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและความต้านทานต่อด่างของวัสดุ ปริมาณการเติมเซเรียมออกไซด์ที่เหมาะสมที่สุดคือ 1.5 เมื่อใช้ในเคลือบเซรามิกและอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์เป็นสารแทรกซึมเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง ฝาครอบหลอดไฟแก๊ส จอเรืองแสงเอ็กซ์เรย์ (ส่วนใหญ่ใช้ในสารขัดเลนส์) ผงขัดซีเรียมออกไซด์ใช้กันอย่างแพร่หลายในกล้อง เลนส์กล้อง หลอดภาพโทรทัศน์ เลนส์ และอื่นๆ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในอุตสาหกรรมแก้วได้อีกด้วย ซีเรียมออกไซด์และไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถใช้ร่วมกันเพื่อทำให้แก้วเป็นสีเหลือง ซีเรียมออกไซด์สำหรับลดสีของแก้วมีข้อดีคือประสิทธิภาพคงที่ที่อุณหภูมิสูง ราคาถูก และไม่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้ นอกจากนี้ ซีเรียมออกไซด์ยังถูกเติมลงในแก้วที่ใช้ในอาคารและรถยนต์เพื่อลดการส่งผ่านแสงอัลตราไวโอเลต สำหรับการผลิตวัสดุเรืองแสงจากธาตุหายาก ซีเรียมออกไซด์ถูกเติมเป็นตัวกระตุ้นในฟอสฟอร์สามสีจากธาตุหายากที่ใช้ในวัสดุเรืองแสงของหลอดไฟประหยัดพลังงานและฟอสฟอร์ที่ใช้ในตัวบ่งชี้และเครื่องตรวจจับรังสี ซีเรียมออกไซด์ยังเป็นวัตถุดิบสำหรับการเตรียมโลหะซีเรียมอีกด้วย นอกจากนี้ ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เม็ดสีคุณภาพสูง และสารไวแสงในกระจก ก็มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องกรองไอเสียรถยนต์ ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการกรองไอเสียรถยนต์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวรองรับเซรามิกแบบรังผึ้ง (หรือโลหะ) และสารเคลือบที่กระตุ้นการทำงานบนพื้นผิว สารเคลือบที่กระตุ้นการทำงานประกอบด้วยแกมมาไตรออกไซด์พื้นที่ขนาดใหญ่ ออกไซด์ในปริมาณที่เหมาะสมที่ช่วยรักษาเสถียรภาพของพื้นที่ผิว และโลหะที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาที่กระจายอยู่ภายในสารเคลือบ เพื่อลดปริมาณ Pt และ Rh ที่มีราคาแพง การเพิ่มปริมาณ Pd ซึ่งมีราคาค่อนข้างถูกกว่า จะช่วยลดต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยไม่ลดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาการกรองไอเสียรถยนต์ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ จึงนิยมใช้สารเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไตรภาค Pt, Pd และ Rh ที่กระตุ้นการทำงาน โดยปกติจะใช้วิธีการจุ่มทั้งหมดเพื่อเติมซีเรียมออกไซด์และแลนทานัมออกไซด์ในปริมาณที่กำหนด เพื่อให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าที่มีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยม แลนทานัมออกไซด์และซีเรียมออกไซด์ถูกนำมาใช้เป็นสารช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าที่รองรับด้วยอะลูมินา A จากการวิจัยพบว่ากลไกการเร่งปฏิกิริยาของซีเรียมออกไซด์และแลนทานัมออกไซด์ส่วนใหญ่คือการปรับปรุงกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของสารเคลือบที่ใช้งานอยู่ ปรับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงและการเร่งปฏิกิริยาโดยอัตโนมัติ และปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนและความแข็งแรงเชิงกลของตัวรองรับ