Окси́д це́рия(IV) (диоксид церия), химическое соединение редкоземельного металла церия (CeO₂). Является наиболее устойчивым оксидом церия, металл в нём имеет степень окисления +4. Молярная масса 172,115 г/моль, плотность 7,65 г/см³. Температура плавления ~2300 ⁰C, температура кипения ~ 3500 ⁰C.

Физико-химические свойства

В макрокристаллическом состоянии CeO₂ представляет собой порошок белого цвета, малейшие примеси приводят к появлению желтоватого оттенка. Порошок нанодисперсного CeO₂ имеет жёлтый или жёлто-оранжевый цвет. Практически нерастворим в воде (log K_sp = –60), слаборастворим в кислотах.

Кристаллическая структура

CeO₂ имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решётку (структурный тип флюорита, пространственная группа $Fm \overline{3} m$) с параметром элементарной ячейки а = 5,411 Å, на ячейку приходится 4 формульных единицы. В кристаллической структуре CeO₂ каждый катион церия окружён восемью ближайшими эквивалентными кислородными анионами, а каждый анион тетраэдрически координирован 4 катионами.

Элементарная ячейка диоксида церия.Элементарная ячейка диоксида церия.

В отличие от большинства других веществ, при переходе в нанодисперсное состояние параметр элементарной ячейки CeO₂ увеличивается.

Нахождение в природе и способы получения

Бастнезит. Субпараллельный сросток гексагональных таблитчатых кристаллов. Размер образца 3 см. Месторождение Амбатуфинандруну (о. Мадагаскар).Бастнезит. Субпараллельный сросток гексагональных таблитчатых кристаллов. Размер образца 3 см. Месторождение Амбатуфинандруну (о. Мадагаскар).В природе CeO₂ встречается в составе минерала церианита (впервые описан А. Р. Грэхемом, 1955), образуется в качестве одного из продуктов при вскрытии руд, содержащих редкоземельные элементы (например, бастнезита).

В лабораторных условиях микрокристаллический CeO₂ получают окислением металлического церия или термолизом солей церия (III) на воздухе. Для реакции $Ce+O_2=CeO_2$ (∆G^⁰₂₉₈ = –1025 кДж/моль, ∆H^⁰₂₉₈ = –1089 кДж/моль, ∆S^⁰₂₉₈ = 61,5 кДж/моль).

Синтез нанодисперсного CeO₂ осуществляют осаждением из растворов, гидротермальным методом, сонохимическим методом и др.

Применение

Первое промышленное применение CeO₂ связано с его использованием в составе газокалильных сеток. Начиная с 1970-х гг. CeO₂ включают в состав автомобильных трёхмаршрутных катализаторов, снижающих выбросы углеводородов, CO и NO_x. Катализаторы на основе CeO₂ применяются в водородной энергетике, в том числе в процессах избирательного окисления CO, расщепления воды, реакции водогазового сдвига. Являясь широкозонным полупроводником (ШЗЗ = 3,0–3,4 эВ), CeO₂ может выступать в качестве фотокатализатора.

CeO₂ применяют для полировки поверхностей (зеркала, линзы, прецизионная оптика, пластины монокристаллического кремния и др.), вводят в состав стёкол для предотвращения их соляризации и обесцвечивания. Высокое поглощение света в УФ диапазоне наряду с низкой токсичностью позволяет применять CeO₂ в солнцезащитной косметике.

CeO₂ используется в составе покрытий и пигментов для защиты металлов и сплавов от коррозии. Применяется в электрохимических устройствах (твёрдооксидные топливные элементы), в которых CeO₂ и твёрдые растворы на его основе выполняют роль электролита благодаря высокой ионной проводимости.

В нанодисперсном состоянии CeO₂ способен участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, в том числе при комнатной температуре, проявляет ферментоподобную активность (способен имитировать функции более 10 природных ферментов). Редокс-активность CeO₂ определяется размером и формой наночастиц, а также присутствием на их поверхности различных лигандов.

Низкая токсичность нанодисперсного CeO₂ в совокупности с перечисленными выше свойствами позволяет использовать его в инновационных биомедицинских и фармацевтических разработках.

Нанодисперсный CeO₂ выступает в качестве неорганического антиоксиданта, способного защищать живые системы от окислительного стресса (Синтез и биомедицинские применения нанодисперсного диоксида церия. 2016). Он проявляет избирательную цитотоксичность по отношению к раковым клеткам, что может быть использовано в противоопухолевой терапии. Наночастицы CeO₂ легко функционализировать, в связи с чем они перспективны для адресной доставки различных лекарственных препаратов.

Перспективное терапевтическое и диагностическое применение нанодисперсного CeO₂ включает его использование в составе препаратов для противовирусной и антимикробной терапии, ранозаживляющих препаратов, в качестве пребиотика, иммуномодулятора, компонента биосенсоров и др. Благодаря своей способности стимулировать пролиферацию стволовых клеток нанодисперсный CeO₂ является единственным известным на сегодняшний день оксидным неорганическим митогеном (The first inorganic mitogens. 2019).