氧化鈰的特性及應用

       氧化鈰(CeO2)是比較重要的輕稀土產品，由于其具有特殊的性質，所以在工業部門中的用途日益廣泛，用量增加較快，前景廣闊。20世紀50年代末，我國研究CeO2制品獲得成功。60-70年代，因其在軍用中的應用廣泛，推動了其逐步走向工業化生產水平，并能小產量供應用戶。80年代，各工業部門使用。90年代以來，我國的CeO2生產方法多樣，產業化擴大，產量大增，質量提高，并可大量滿足國內外市場的要求。目前，我國CeO2的生產工藝成熟，產量具全球第一，出口量及質量位于世界前列，并在世界同行中占主導位置。
       多年來，我國CeO2在各個工業部門中的應用日益廣泛，其用量不斷增加。目前，CeO2已在玻璃、陶瓷、發光材料、汽車尾氣凈化和金屬鈰生產等的應用獲得了較好的效果。
       （1）在發光材料中的應用
       稀土三基色熒光粉是生產節能燈的發光材料，它是由蘭色粉（占10%），綠色粉（占30%）和紅色粉（占60%）等組成，其中紅色粉是由Y2O3及CeO2制成的。CeO299.99%是作為添加劑加入的。這種熒光粉具有光效高，顯色好和壽命長等特點。與白熾燈比，節能燈可節電75%-80%。此外，飛點陰極射線管、指示燈和放射線檢測器等所用的熒光粉、均添加入CeO2作為激活劑用，也是具有前途的。
       （2）在凈化汽車尾氣的應用
       用燃燒油的汽車在行駛中排出大量的有害尾氣，其中含有一氧化碳（CO）, 氮氧化物（NOX）和碳氫化合物（HC），這三種毒物對大氣危害嚴 重。目前凈化這些毒物已有三元貴金屬（Pt、Rh、Pd）催化劑，鈀稀土催化劑和稀土催化劑。這三種催化劑均要加入CeO2,以改善催化劑的用量為1-10%。實用表明，在催化劑加入CeO2后，可提高催化劑的活性，達到提高毒物的凈化率；提高催化劑的抗毒能力；提高催化劑的強度15%～25%。
       （3）在陶瓷的應用 
       一改變陶瓷的晶格參數，介電性和壓電性使PbTiO5陶瓷的燒結密度達到理論值的96%以更適用于高靈敏度，高分辨率的超聲換能器。在Pb（Zr、Ti）O3陶瓷中加入CeO2后，以達到調節和改變陶瓷內組分，可改善陶瓷的燒結性，介電性和壓電性，而滿足不同的實用要求。在PZT陶瓷中加入CeO2后，使陶瓷的體電阻率提高，可將潛在的壓電性能發揮出來。在陶瓷著色顏料中加入CeO2后，可使顏料具有色彩鮮艷、穩定、高溫性能好，呈色均勻等優點。其適用于陶瓷釉上、下彩，瓷色釉，陶色釉和精陶色釉等方面。
       （4）在玻璃工業的應用
       1）高級鈰拋光粉。用CeO2≥99%制成的高鈰拋光粉，其性能較好，如硬度高，粒度細小均勻具有菱角的面心立方晶體，使用于玻璃的高速拋光。與傳統的鐵拋光粉（鐵紅Fe2O3）相比的活性強，拋光速率提高3—4倍；拋光粉用量少且壽命長，拋光件的合格率提高30%；拋光的光潔度高又易清洗不污染拋光環境，作業條件好作業條件好。（2）玻璃的脫色劑。一般玻璃含有鐵離子（Fe2+）是會是玻璃呈現綠顏色。因為CeO2具有強烈的脫氧能力，對鐵有很強的氧化作用，故獎CeO2加入玻璃（含0.1%CeO2時）后，使玻璃中的“綠色”的二價鐵（Fe）被氧化為“無色”的三價鐵（Fe3+），而使玻璃的質量提高，這稱為脫色劑。這項脫色技術在玻璃制造業中極為重要。（3）防輻射玻璃。有的玻璃加如某種氧化物后，可具有能大量吸收慢中子的防輻射性質，其中CeO2的加入是較好的一種，如在受γ射線照射后的防輻射玻璃，其可見光的透光率下降較小。一般該玻璃加CeO20.1-1.6后可防105-107γ射線的輻射，具有這種性質的防輻射玻璃可作為原子能設施的觀察孔材料及光學儀器等。還可制作太陽能電池的玻璃罩等。此外，CeO2 還可用于玻璃作為澄清劑，又可制作電焊用護目鏡玻璃、太陽鏡玻璃、光質變色玻璃和著色玻璃。在玻璃行業中CeO2是一種較優良的添加劑材料，其發展前景較好。
       一般在精細陶瓷中添加CeO2后，可改進陶瓷的燒結性、致密度、顯微結構和相組成等，以提高陶瓷質量和性能，以滿足實用的要求。
       氧化鈰的澄清機理及復合澄清劑的選用
       （一）澄清機理：氧化鈰為變價氧化物，二氧化鈰高溫分解出氧，溫度沒升高1攝氏度能從它的化學結合鍵中分離出的氧越多，澄清作用越大。而氧的溶解度隨溫度升高而減小，從而產生澄清作用。
       （二）氧化鈰與其他澄清劑的比較
       氧化鈰為變價氧化物，二氧化鈰高溫分解出氧，具有澄清作用，同時在反應中放出新生態的氧，還可將低價的鐵(Fe2+)氧化成三氧化二鐵，減少玻璃著色，因為三價Fe3+的著色能力只相當于Fe2+的1/10，及藍綠色便成淡的黃綠色調，所以在使用過程中，可降低70-80%的硒-鈷。因此氧化鈰又是玻璃的化學脫色劑，氧化鈰具有更高的氧化勢，所以比傳統的澄清劑更佳，同時在玻璃配方中還可以降低20-40%的硝酸鈉用量，所以氧化鈰澄清劑對玻璃廠既能達到澄清去泡作用又大幅度降低玻璃廠的成本和對環境上作了重大貢獻，有一定的經濟效益和社會效益。
       氧化鈰用于玻璃脫色，取代傳統使用的白砒脫色劑，不僅提高效率，而且還避免了白砒的污染。氧化鈰玻璃澄清劑代替傳統的氧化砷，清除氣泡和帶色元素，在制備無色玻璃瓶時效果顯著，成品晶瑩潔白、透明度好、玻璃強度和耐熱性提高。同時還消除了砷對環境和玻璃的污染。氧化鈰作為抗紫外劑，紫外線遮蔽劑添加于塑料、涂料、化妝品中，防止老化、防曬。另外，氧化鈰添加在日用玻璃，如建筑和氣車用玻璃，能減少紫外線的透光率，該用途在日本和美國已推廣使用。在我國隨著生活質量的提高，也會有較好的市場。
       第三代新型玻璃澄清劑（第一代傳統的白砒和三氧化二銻作澄清劑，第二代為目前的以冶金行業的陽極泥“砷銻煙灰”和稀土渣為原料的澄清劑）的特點是既解決了第一代澄清劑白砒對人體和對大氣的嚴重污染又解決了第二代澄清劑含有氧化鈰的玻璃不能同白砒同時引入，否則在陽光下產生“暴曬作用”使玻璃顏色變為黃色調和在玻璃中很難解決的黃綠色問題。
       （三）氧化鈰復合澄清劑選用因素
       1、氧化鈰可以降低玻璃中硝酸鈉的含量。從我們玻璃熔制過程中，用單純的白砒和純氧化銻或第二代玻璃澄清劑是起不到澄清去泡的作用的，就需要加硝酸鈉（一般是白砒和硝酸鈉的比為、1：4-5）讓硝酸鈉在高溫分解時放出氧與白砒或氧化銻為五價砷或五價銻才能起到澄清去泡作用，而在第三代L型玻璃澄清劑中不含砷或銻，主要含量為氧化鈰，而氧化鈰為變價氧化物，二氧化鈰在高溫分解出氧，所具有澄清作用，而且在L型澄清劑中還有部分的硫酸鹽，而硫酸鹽也不需要吸收硝酸鈉所放出的氧，所以L型玻璃澄清劑與白砒、氧化銻和第二代澄清劑相比較可降低原配方中硝酸鈉用量的20-60%，第三代玻璃澄清劑R型助劑中，含砷銻化合物18-20%（這是主要的澄清原料），而還有一部分的硫酸鹽在中間，硫酸鹽不需要吸收硝酸鈉所放出的氧，估而在原玻璃配方中能降低10-20%的硝酸鈉，R型玻璃澄清劑更適合于燃料為煤或煤氣發生爐的玻璃廠。
       2、氧化鈰澄清劑對玻璃的顏色有一定的好處。由于使用氧化鈰玻璃澄清劑后，可以降低部分的硝酸鈉和硒粉，而硝酸鈉在高溫分解時，跟硒粉的分解基本同步（硝酸鈉在380℃時開始分解，硒粉在400℃是開始分解），而硒粉在分解時要吸收硝酸鈉所放出多余的氧，而使硒粉轉化為氧化硒，氧化硒在玻璃中不起補色作用，所以玻璃會變成微綠色，而氧化硒再遇到500度溫度時又會變成硒酸鹽和硫酸硒，而硒酸鹽和硫酸硒在玻璃中又會使玻璃變成黃色，所以在使用白砒、氧化銻尤其在使用第二代玻璃澄清劑時，玻璃顏色會變成淡黃綠色，而使用第三代玻璃澄清劑時對玻璃的黃綠色會有好轉。再、在理論上講，氧化鈰和砷同時使用時（第二代玻璃澄清劑）會使玻璃變黃（可以把生產的玻璃制品放在太陽光下暴曬，在夏天一般曬一天就能明顯的看出玻璃顏色變黃），但在氧化鈰玻璃澄清劑中舊不存在氧化鈰和砷合用的情況，所以使用氧化鈰玻璃澄清劑也是解決玻璃變黃的一種辦法。
       3、使用氧化鈰新型玻璃澄清劑會降低玻璃玻璃成本。因使用第三代玻璃澄清劑后，在整個玻璃配方中降低了硝酸鈉和硒粉的用量，其他的玻璃配方不需要作任何調整，所以在玻璃澄清劑成本這一塊肯定回有所降低。