二氧化铈
二氧化(英语：铈 dioxide), 稀土金属铈的氧化物，分子式为CeO2，是一种无机化合物。浅黄白色立方体粉末，无味，难溶于水，但溶于高浓度硫酸。具有立方萤石结构，有特殊的氧化还原性质。常开采于独居石、碳铈矿中，被广泛用于生产工业催化剂、固体燃料电池、化学抛光剂、陶瓷釉料等。
吞咽二氧化铈对人体有害，长时间接触更是会对特定器官造成损伤。1803年，瑞典化学家永斯·贝采利乌斯、希辛格和德国的科学家卡珀斯首次报道了氧化态铈的发现。
发现历史
1803年，瑞典化学家贝采利乌斯（Jacob Berzelius）和希辛格（Wilhelm von Hisinger）首次报道了氧化态铈的发现。他们一起研究了一种矿石，并将它与土作对比。钇土溶于碳酸并且焰色反应呈红色，而这种矿石不溶于碳酸铵，也没有焰色反应，这明显和钇土不一样，一定含有一种新的元素。当时恰逢发现小行星谷神星（Ceres），故用谷物女神克瑞斯将铈元素其命名为"Cerium"。
同年德国的科学家卡珀斯（Martin Klaproth）也独立发现铈元素。
分布情况
提取二氧化铈的主要矿物原料有独居石和氟碳铈矿。独居石（Monazite，鄂博矿）是成分为Ce,La,Nd,Th等的磷酸盐矿物，含有放射性，常形成于滨海砂矿和冲积砂矿。
氟碳铈矿（Bastnasite，白云矿）的分子式为（Ce,La）[CO3]F，铈和的含量占其总量的70%～90%。
中国、美国的氟碳铈矿和独居石矿储量最丰富，此外还分布在澳大利亚、巴西、印度、马来西亚、南非、斯里兰卡、泰国等国家。另外，铈是ree中丰度最高的元素。
物质结构
立方萤石结构
标准的二氧化铈晶体具有立方萤石结构，其单胞参数 a=5.41134Å ，一个Ce4+周围环绕8个O2- ，Ce4+ 组成的四面体空隙由O2-完全填充。它的结构中有一些八面体空位，被称为敞型结构。由此带来的优点是允许离子快速扩散，所以可以做快离子导体，而缺点则是二氧化铈中极易出现氧空位缺陷。其它离子如钙离子、铜离子等也可以借此进入氧化铈晶格，进而改善二氧化铈的物理、化学性能。
金属铈元素的价电子为4f25d06s2， 通常能表现为+3价、+4价。在存在氧空位的二氧化铈中，部分铈表现为+3价，故二氧化铈和三氧化二铈之间可以互相转化，且+3价、+4价之间有较低的电极电动势。正因如此，二氧化铈实际上是一种非化学计量化合物，常用CeO(2-x) [0\u003cx\u003c0.5]来表示。
不同晶格面的差异
二氧化铈的晶体上存在(100)、(110)、(111)三个晶格面，其中(111) 晶面的稳定性最好而(100)晶面的稳定性最差。故(100)、(110)存在更多的氧缺陷。
间接带隙
二氧化铈的间接带隙为3.2 eV(晶面)，其价带顶主要由O原子贡献，价带底则由局域Ce原子贡献。由于其宽带隙特性，二氧化铈主要吸收紫外光。
理化性质
物理性质
二氧化铈的摩尔质量为172.115 g·摩尔−1，晶格常数为0.54nm，密度7300g/dm3，沸点3730℃，熔点约2600 °C（ 2873K）。是浅黄白色粉末，其工业产品纯度越高颜色越淡，由浅红色/浅黄褐色到淡黄色/奶白色。不溶于水。
其EINECS编号为215-150-4，RTECS号为FK6310000。
化学性质
与酸反应
二氧化铈与硫酸反应可以生成硫酸高铈。
二氧化铈可以与盐酸反应。
二氧化铈溶解于硝酸，形成硝酸高铈。
还原反应
在带有氧空位缺陷的二氧化铈的萤石结构中，一个氧原子可以扩散到其它位置。当处于贫氧环境时，二氧化铈会释放氧气，而富氧环境则吸收氧气。
二氧化铈的还原动力学可以描述为：H2离解吸附在其表面的氧离子上形成羟基；由于羟基内 OH-的相互作用使邻近的阳离子 Ce+4失去氧离子被还原成 Ce+3同时形成阴离子空穴；从晶格中脱离出来的羟基与氢结合生成水而脱附；表面的阴离子氧空穴扩散至体相，体相内的氧移动到表面。
具体的方程式可以表示如下：
是晶格中的氧离子；
是两倍电荷的氧空位；
还原反应方程式
其它反应
二氧化铈与偏磷酸钾熔融时，发生如下发应。
催化活性
二氧化铈能在保持自身结构的前提下，进行氧化、还原反应。故在多相催化过程中可以转移气相中的氧物种至固体表面，从而促进催化过程。纳米级别的二氧化铈因为具有更高的氧缺陷浓度表现出更优良的催化活性。
制备方法
矿物与盐中提取
热分解
浓硫酸焙烧法
浓硫酸焙烧法是从其他轻稀土元素中回收分离Ce的最有效的方法。稀土矿物经酸浸(常用硫酸)后得到浸出液，再经萃取反萃制得高纯氧化铈产品。该法是处理混合稀土精矿的主流工艺。
下面是浓硫酸酸浸二氧化铈的化学方程式：
加热挥发性酸的铈盐
二氧化铈可由Ce(OH)3、Ce(NO3)3、Ce2(CO3)3或Ce(C2O4)3在空气中加热而制得。
甲酸铈煅烧制备二氧化铈
Ce(NO3)3溶液在微波浓缩热解仪中蒸发结晶为固体后，加入甲酸生成甲酸铈沉淀，继续微波加热将多余的溶液蒸发结晶得到固体甲酸铈。
纳米二氧化铈的制备
制备纳米二氧化铈粉体主要采用液相法。气相法、固相法也有所应用。比较典型的有液相沉淀法（工业生产常用）、溶剂热法（常以氢氧化钠溶液为溶剂）、依附捕捉剂定向生长法（常用的表面活性剂有CTAB，十八胺）、模板法、电化学沉积法、微波及超声辅助法等。
利用液相法形成纳米二氧化铈主要包括晶核成核与晶体生长两个阶段。粒子形貌和大小由体成核速率和晶体生长速率决定并受到pH值、压力、温度、前驱体浓度、溶剂等的影响。
液相沉淀法
液相沉淀法通过在含有金属离子的溶液中加入沉淀剂，生成溶解度很低的沉淀物质（如Ce(OH)4），再经过一系列的干燥、煅烧处理生成二氧化铈。
水热合成法
高温高压下的水溶液与含有铈离子的溶液反应，经过滤、烘焙生成二氧化铈。其原理在于高温、高压的亚临界环境使水溶液的物理化学性质如介电常数等显著变化，有利于纳米晶的成核及生长，最终得到二氧化铈纳米晶。
溶胶凝胶法
将化学试剂配成盐溶液的前驱体形成均匀的液体，加入凝固剂发生化学反应形成稳定均匀溶胶体系，经干燥、烘焙生成二氧化铈。
溶剂热法
是以水热合成法为基础的一类方法，即将有机溶剂替换水溶剂，以进行水溶剂中不能发生的反应。
微乳液法
是一种反向胶束法，两种互不相溶的液体组成宏观上均匀、微观上不均匀的混合溶液，其分散相通过液滴的形式以极微笑的状态存在，使反应物发生有效碰撞，进而生成沉淀。该方法需要使用大量的表面活性剂和溶剂，成本较高。
电化学沉积法
将含有金属离子的混合溶液作为电解质，使金属离子发生电离从而以沉淀的形式析出。通过硝酸铈、硝酸铵混合作为电解质制备的纳米二氧化铈的粒径远小于沉淀法制备的产物。
应用领域
在众多稀土种类中，二氧化铈的储量、生产量和需求量是最大的，二氧化铈粉体是一种性能优异的新型功能材料，应用开发前景广阔。
制备金属铈
二氧化铈可用于制备金属铈。
固体电解质材料
在燃料电池的阳极，二氧化铈可以引入氧空位而不增加电子载流子，并且可以通过引入掺杂离子增加其导电能力，增加了燃料电池的效率，被用于低温固体燃料电池（SoFC）电极材料。
汽车尾气催化剂
用于汽车尾气净化的三效催化剂去除氮氧化物;利用二氧化铈的高温化学稳定性及快速氧空位扩散能力，可以制成探测氧气浓度的探头、氧敏传感器。
高效抛光粉
二氧化铈是高效的抛光材料，抛光速度快、表面精度高。被广泛用于化学元件、光学镜片、半导体芯片等的化学机械抛光(CMP)中。典型的应用有：液晶显示器外屏玻璃抛光、电脑硬盘玻璃基板抛光等。
薄膜材料
二氧化铈作薄膜材料主要用于甲醇脱氢及集成电路，在低温时，甲醇会和二氧化铈反应生成水，进而帮助甲醇脱氢。同时CeO2的(111)晶面与 Si的(111)晶面晶格常数适配度小，可以和 Si 材料很好的兼容，被认为是一个很好的高K集成电路介质薄膜材料。
其他应用
在玻璃行业，二氧化铈是常见的(化学)玻璃脱色剂。二氧化铈具有紫外遮断作用，其纳米颗粒的抗菌性和抗氧化性也有很多研究，故二氧化铈常用于涂料、化妆品等产品中。在陶瓷釉料及电子工业，二氧化铈作为压电陶瓷渗入剂可以有效地调节电滞回线，特别是对材料的极化、剩余极化及矫顽场有明显的调控作用，进而对材料的性能产生重要影响。在陶瓷中二氧化铈还有高效的失透作用，加入低火度釉或搪瓷釉中效果最好。
安全事宜
不用时，用内衬二层聚乙烯塑料袋的铁桶包装，存放于阴凉、干燥、通风良好的区域。
吞咽二氧化铈对人体有害，长时间暴露会对特定器官造成损伤(诱导组织纤维化)。可能对水生生物造成持久性危害。纳米二氧化铈以纳米颗粒的形式存在，可以通过大气沉降或废水处理进入土壤，能影响植物的生理过程。
参考资料
Cerium dioxide | CeO2 - PubChem.pubchem.2023-04-01
Cerium dioxide.ECHA.2023-03-28
NFPA704官网.NFPA704.2023-04-01