Zeldzame aardelementen zijn, vanwege hun unieke elektronenschilstructuren en uitzonderlijke magnetische, optische en elektrische eigenschappen, strategische hulpbronnen geworden die wereldwijd worden betwist. Naarmate een nieuwe ronde van technologische revolutie en industriële transformatie zich versnelt, zijn de risico's voor de veiligheid van de mondiale toeleveringsketen prominent geworden, en is de focus van de veiligheid van de hulpbronnen van de grootmachten verschoven van bulkmineralen naar kritieke mineralen. Tegen deze achtergrond is de strategische waarde van zeldzame aardmetalen scherp gestegen en is hun strategische positie verder uitgesproken, waardoor ze een belangrijk brandpunt zijn geworden van de concurrentie op het gebied van hulpbronnen en industriële rivaliteit tussen grootmachten.
Ceriumoxide (CeO₂) biedt de voordelen van relatief overvloedige reserves en lage kosten, gekoppeld aan bijzonder uitstekende fysisch-chemische eigenschappen, waardoor het een van de meest bestudeerde en representatieve oxiden van zeldzame aardmetalen is.
Van 31 maart tot 10 april 2025 werden binnen slechts tien dagen achtereenvolgens drie onderzoeksartikelen over ceriumoxide gepubliceerd inJACS, Wetenschap, EnNatuur, wat een golf van ‘gek ceriumoxide’ veroorzaakt.
In praktische productietoepassingen genieten polijstpoeders van zeldzame aardmetalen een geweldige reputatie vanwege hun uitzonderlijke prestaties bij precisiepolijsten, waardoor ze de titel 'koning onder de polijstmaterialen' verdienen. Het hoofdbestanddeel van deze polijstpoeders voor zeldzame aardmetalen is CeO₂. Daarom worden ze ook wel op cerium- gebaseerde polijstpoeders voor zeldzame aardmetalen genoemd, of eenvoudigweg polijstpoeders op basis van cerium-, en kunnen ze ook wel CeO₂-polijstpoeders worden genoemd.
Het heeft de titel van "koning" voornamelijk om de volgende vier redenen verdiend:
(1) CeO₂-kristallen hebben een fluoriet-type vlak-gecentreerde kubieke roosterstructuur, met de ruimtegroep Fm-3m. In de fluorietstructuur bevinden ceriumionen zich op de hoeken van de kubus en de geometrische middelpunten van de vlakken, terwijl zuurstofionen de tetraëdrische en octaëdrische tussenruimten die door de ceriumionen worden gevormd, op een dicht opeengepakte manier vullen.
(2) Vergeleken met andere soorten polijstpoeders biedt CeO₂-polijsten hogere polijstsnelheden, een hogere oppervlakteafwerking van de gepolijste producten en een grotere vlakheid. Bovendien hebben producten gepolijst met CeO₂ een langere levensduur.
(3) CeO₂ heeft een Mohs-hardheid van ongeveer 7, wat betekent dat het tijdens mechanische actie voldoende hardheid heeft om zachtere materialen te snijden en te polijsten, maar geen overmatige fysieke schade veroorzaakt aan het te polijsten werkstuk.
(4) CeO₂ vertoont een hoge chemische reactiviteit ten opzichte van silicaatglas, wat betekent dat het kan reageren met het glasoppervlak om een chemisch mechanisch polijsteffect (CMP) te creëren. Dit proces omvat zowel fysieke slijtage als chemische reacties en wordt daarom veel gebruikt bij het polijsten van glas.
Vier "synthesemethoden" voor zeldzame aardceriumoxide
Momenteel zijn er vier hoofdmethoden voor het bereiden van zeldzame aardceriumoxide:
(1) Hydrothermische synthese. Deze methode wordt doorgaans uitgevoerd in een afgesloten hogedrukautoclaaf, waarbij een waterige oplossing als medium wordt gebruikt. Door verhitting tot subkritische of superkritische omstandigheden kristalliseert de ceriumzoutvoorloper direct in aanwezigheid van een mineralisator of oppervlakteactieve stof, waardoor CeO₂-deeltjes ontstaan.
(2) Chemische neerslag. Neerslag is de meest fundamentele en meest gebruikte methode in industriële toepassingen. Door een neerslagmiddel (zoals natriumhydroxide, ammoniumbicarbonaat, ammoniakwater, enz.) toe te voegen aan een ceriumzoutoplossing wordt een hydroxide- of carbonaatvoorloper verkregen, die vervolgens wordt gecalcineerd om CeO₂ te produceren.
(3) Sol-gel-methode. Deze methode maakt gebruik van metaalorganische verbindingen of oplosbare anorganische zouten als voorlopers, die worden opgelost en vervolgens hydrolyse- en condensatiereacties ondergaan om een transparante sol te vormen, die verder wordt omgezet in een drie--netwerkgel en uiteindelijk wordt gecalcineerd om CeO₂ te verkrijgen.
(4) Micro-emulsiemethode. Deze methode maakt gebruik van een micro-emulsiesysteem dat bestaat uit oppervlakteactieve stoffen, een oliefase en een waterfase als een ‘nanoreactor’, waar kernvorming, coalescentie en warmtebehandeling plaatsvinden om CeO₂ te verkrijgen.