酸化セリウム(IV)

酸化[セリウム]：多様な用途を持つ希土類酸化物

酸化[セリウム] (CeO₂) は、セリウムという希土類元素の酸化物であり、セリアとも呼ばれます。研磨剤、触媒、燃料電池材料、そして近年では日焼け止めに至るまで、その用途は多岐に渡ります。鉱物からセリウムを抽出する際の中間体としても重要な役割を果たしています。

生産と特性

天然にはバストネサイトやモナズ石などの鉱物中に、他の希土類元素と共に存在します。工業的には、これらの鉱石から塩基性[水]]溶液を用いて抽出し、酸化剤による処理とpH調整によってセリウムを分離精製します。これは、酸化セリウム]の低い[[溶解度と、他の希土類元素が酸化されにくい性質を利用した手法です。シュウ酸セリウムや水酸化セリウムを焼成することでも製造可能です。

酸化[セリウム]は蛍石型構造という結晶構造を有します。特筆すべきはその不定比化合物としての性質です。高温下では酸素を放出し、組成式CeO₂₋ₓ (0 < x < 0.28)で表される不定比化合物となります。このxの値は温度と酸素分圧によって変化し、その関係は複雑な式で表されます。この不定比化合物は青黒色を呈し、イオン伝導性を示すのが特徴です。500℃以上ではイオン伝導性が顕著になります。酸素欠陥の量はX線光電子分光法(XPS)を用いてCe³⁺とCe⁴⁺の比率から測定できます。

格子欠陥と化学的性質

酸化[セリウム]の[格子欠陥]]は、酸素分圧や機械的応力によって生じます。重要な欠陥として、酸素欠陥と、セリウムイオンに局在化した電子によるポーラロンが挙げられます。酸素欠陥の増加はイオン伝導率の向上、ひいては酸化物イオンの拡散速度上昇をもたらします。この性質から、固体酸化物形燃料電池(SOFC)電極材料としての応用が期待されています。酸素分圧が低い条件下では、セリウムイオンの還元によりポーラロンが発生し、高い導電性を示します。また、酸化セリウム]結晶中では酸素原子が平面状に配列しているため、アニオンの拡散が速く、[[格子欠陥濃度の上昇に伴い拡散速度も向上します。

研磨剤としての応用

酸化[セリウム]の最も重要な用途の一つが研磨剤です。特に化学機械研磨(CMP)において、従来の酸化鉄やジルコニアに代わり広く用いられています。「レンズ磨き職人のベンガラ」と呼ばれることもあります。その優れた研磨能力は、精密な光学レンズの研磨などに不可欠となっています。

その他の応用

酸化[セリウム]は、ガラスの脱色剤、赤外線フィルター、三元触媒の助触媒、ガスマントルなどにも利用されています。ガラスの脱色作用は、緑色を呈する鉄(II)不純物を無色の鉄(III)に変えることにより発揮されます。可逆的な組成変化は、酸化反応触媒としての役割も担っています。例えば、自動洗浄オーブンでは高温下での炭化水素酸化触媒として機能し、ガスマントルでは天然ガスの酸化を促進します。

自動車の排気ガス浄化システムである三元触媒では、酸素センサーとして用いられ、空燃比の制御に貢献し、NOxや一酸化炭素の排出削減に役立っています。

燃料電池、混合伝導体、そして日焼け止め

酸化[セリウム]は500～650℃の中間温度域で高い酸化物イオン伝導性を示し、ジルコニア系材料よりも生成エンタルピーが低いため、SOFC材料として有望視されています。また、優れたイオン伝導性と電子伝導性を併せ持つことから、イオン・電子混合伝導体としての応用も期待されています。さらに近年では、紫外線遮断効果を持つことから、酸化チタンや酸化亜鉛に代わる日焼け止め成分としても注目されていますが、人体への影響についてはさらなる研究が必要です。

酸化[セリウム]は、その多様な特性から、今後も様々な分野で重要な役割を担うことが期待される物質です。

もう一度検索