Serium(IV) oksida

Serium(IV) oksida, juga dikenal sebagai seri oksida, seri dioksida, seria, serium oksida atau serium dioksida, adalah oksida logam logam tanah jarang serium. Ia adalah bubuk kuning putih pucat dengan rumus kimia CeOTemplat:Sub. Ia adalah produk komersial penting dan perantara dalam pemurnian unsur Ce dari bijihnya. Sifat khas dari bahan ini adalah konversi reversibelnya menjadi oksida nonstoikiometri.

Produksi

Cerium terjadi secara alami sebagai campuran dengan unsur tanah jarang lainnya dalam bijih utamanya bastnaesit dan monazit. Setelah ekstraksi ion logam dalam larutan basa, Ce dipisahkan dari campuran tersebut dengan penambahan suatu oksidator yang diikuti dengan penyesuaian pH. Langkah ini mengeksploitasi rendahnya kelarutan CeO₂ dan fakta bahwa unsur tanah jarang lainnya tidak teroksidasi.

Cerium(IV) oksida dibentuk melalui kalsinasi dari cerium oksalat atau cerium hidroksida.

Cerium juga membentuk cerium(III) oksida, Templat:Chem2, yang tidak stabil yang akan teroksidasi menjadi cerium(IV) oksida.

Perilaku struktur dan defek

Cerium oksida mengadopsi struktur fluorit, grup ruang Fm3m, #225 yang mengandung 8 koordinasi CeTemplat:Sup dan 4 koordinasi OTemplat:Sup. Pada suhu tinggi ia melepaskan oksigen untuk menghasilkan suatu bentuk non-stoikiometris yang kekurangan anion yang mempertahankan kisi fluorit. Bahan ini memiliki rumus CeOTemplat:Sub dengan 0 < $x$ < 0,28. Nilai $x$ bergantung pada suhu maupun tekanan parsial oksigen. Persamaan

$\left(\frac{x}{0.35-x}\right)=106000[{\mathrm{P}\mathrm{a}}^{0.217}]\times P_{O_2}^{-0.217}\exp \left(\frac{-195.6[{\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}^{-1}]}{RT}\right)$

telah ditunjukkan untuk memprediksi kesetimbangan non stoikiometri $x$ pada berbagai tekanan parsial oksigen (10Templat:Sup − 10Templat:Sup Pa) dan suhu (1000−1900 °C).

Bentuk non stoikiometri memiliki warna biru sampai hitam, dan menunjukkan konduksi ionik dan elektronik dengan ion yang paling signifikan pada suhu > 500 °C.

Jumlah kekosongan oksigen sering diukur dengan menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-X untuk membandingkan rasio Templat:Chem2 terhadap Templat:Chem2.

Kimia defek

Pada ceria fase fluorit yang paling stabil, ia menunjukkan beberapa cacat tergantung pada tekanan parsial oksigen atau keadaan tegangan material.

Cacat utama yang menjadi perhatian adalah kekosongan oksigen dan polaron kecil (elektron dilokalisasi pada kation cerium). Peningkatan jumlah defek oksigen meningkatkan laju difusi oksida dalam kisi sebagaimana tercermin dalam peningkatan konduktivitas ionik. Faktor-faktor ini merekomendasikan ceria sebagai elektrolit padat dalam sel bahan bakar oksida padat. Ceria yang tak didoping maupun didoping sama-sama menunjukkan konduktivitas elektronik yang tinggi pada tekanan parsial oksigen yang rendah karena reduksi ion serium yang menyebabkan pembentukan polaron kecil. Karena atom oksigen dalam kristal ceria terjadi pada bidang datar, difusi anion ini bersifat halus. Tingkat difusi meningkat seiring peningkatan konsentrasi defek.

Aplikasi pemolesan

Aplikasi utama ceria adalah untuk pemolesan, terutama planarisasi kimia-mekanik (chemical-mechanical planarisation, CMP). Untuk tujuan ini, ia telah menggantikan banyak oksida lainya yang telah digunakan terlebih dahulu, seperti besi oksida dan zirkonia.

Kegunaan lain

CeOTemplat:Sub digunakan untuk menghilangkan warna kaca dengan mengubah ketakmurnian ferro yang berwarna hijau menjadi ferri oksida yang hampir tak berwarna.

Cerium oksida telah dijumpai digunakan dalam filter inframerah, sebagai suatu oksidator dalam konverter katalitik dan sebagai pengganti torium dioksida dalam mantel pijar.

Katalisis

Interkonvertibilitas bahan CeOx adalah dasar penggunaan ceria untuk katalis oksidasi. Satu contoh kecil tetapi dapat memberikan ilustrasi penggunaannya adalah pada dinding oven swaresik sebagai katalis oksidasi hidrokarbon selama proses pembersihan suhu tinggi. Contoh kecil lainnya tetapi terkenal adalah perannya dalam oksidasi gas alam dalam mantel gas. [[Berkas:Glowing gas mantle.jpg|jmpl|ka|Sebuah mantel lentera gas putih Coleman. Unsur yang berpendar adalah [[torium dioksida|ThOTemplat:Sub]] yang didoping dengan CeOTemplat:Sub, dipanaskan oleh oksidasi gas alam dengan udara menggunakan katalis Ce.]]

Ceria telah digunakan sebagai sensor konverter katalitik dalam aplikasi otomotif, mengendalikan rasio gas buang untuk mengurangi [[Nitrogen oksida|NOTemplat:Sub]] dan karbon monoksida.

Konduksi campuran

Oleh karena konduksi ionik dan listrik cerium dioksida cukup signifikan, maka ia cocok digunakan sebagai konduktor campuran.

Penelitian

Sel bahan bakar

Ceria adalah bahan yang menarik untuk digunakan sebagai sel bahan bakar oksida padat (Templat:Lang-en) karena konduktivitas ion oksigennya yang relatif tinggi (yaitu, atom-atom oksigen mudah bergerak melewatinya) pada suhu sedang (500–650 °C) dan entalpi asosiasi yang lebih rendah daripada sistem Zirkonia.

Pemisahan air

Siklus cerium(IV) oksida–cerium(III) oksida atau siklus Templat:Chem2/Templat:Chem2 adalah proses pemisahan air secara termokimia dua tahap, yang mendasarkan pada cerium(IV) oksida dan cerium(III) oksida untuk produksi hidrogen.

Pranala luar

• Webelements at University of Sheffield
• Synthesis and properties of ceria (in English/Russian) Templat:Webarchive