Нитрид церия

Нитрид церия CeN — состав и структура

Нитрид церия (мононитрид церия, CeN) — бинарное соединение церия с азотом. CAS-номер: 25764-08-3. Молярная масса — 154,12 г/моль. Формула соответствует степени окисления церия Ce³⁺, хотя в реальном кристалле степень окисления нестрого фиксирована (см. ниже).

Кристаллическая структура CeN — кубическая типа NaCl (гранецентрированная кубическая, Fm3̄m), параметр решётки a = 0,501 нм. Эта же структура характерна для большинства мононитридов лантаноидов (LnN). Однако CeN выпадает из монотонной зависимости параметра решётки от атомного номера в ряду РЗЭ-нитридов: параметр заметно меньше ожидаемого. Причина — частичное участие церия в состоянии Ce⁴⁺ (смешанная валентность Ce³⁺/Ce⁴⁺), что уменьшает эффективный ионный радиус и сжимает решётку.

Физические свойства нитрида церия

Параметр	Значение
Внешний вид	Тёмно-коричневый или серый порошок; компактный материал — металлически блестящие кристаллы
Молярная масса	154,12 г/моль
Плотность	~7,9 г/см³ (теоретическая для монокристалла)
Температура плавления	~2557 °C (при повышенном давлении азота; конгруэнтное плавление при ~2575 °C и P(N₂) ≈ 5 атм)
Кристаллическая структура	Кубическая типа NaCl, a = 0,501 нм
Электрическая проводимость	Металлическая (p-тип), удельное сопротивление ~21 мкОм·см при 20 °C
Давление пара	Малое; вещество нелетуче

Несмотря на кристаллическую структуру ионного типа (NaCl), CeN проявляет металлическую электрическую проводимость с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Это следствие делокализации 4f-электронов церия и смешанной валентности. Соединение относится к тугоплавким керамическим материалам.

Химические свойства и стабильность

Поведение на воздухе и при контакте с влагой

CeN крайне чувствителен к кислороду и влаге. Порошок нитрида церия окисляется на воздухе при комнатной температуре в течение нескольких часов с образованием оксида церия CeO₂. Присутствие влаги резко ускоряет окисление. Мелкодисперсный порошок после размола способен самовоспламеняться на воздухе (пирофорность). При нагревании скорость окисления возрастает многократно.

Продукт хранят и обрабатывают в инертной атмосфере (аргон, азот) или в боксе с уровнями O₂ и H₂O ниже 1 ppm.

Взаимодействие с водой и кислотами

При контакте с водой CeN гидролизуется с выделением аммиака и образованием гидроксида церия. Растворяется в разбавленных кислотах. Реагирует со щелочами при высоких температурах (в условиях электродуговой печи).

Термическая стабильность

В инертной атмосфере CeN термически устойчив до температур, близких к точке плавления. Плавление требует повышенного давления азота: при атмосферном давлении N₂ соединение диссоциирует до расплавления. Конгруэнтное плавление зафиксировано при ~2575 °C и P(N₂) ≈ 5 атм.

Получение нитрида церия

Основные методы синтеза CeN:

• Прямое азотирование церия в N₂. Металлический церий нагревают в атмосфере азота. Стехиометрический CeN достигается при температуре около 800 °C. При более низких температурах реакция идёт медленно из-за образования плотных нитридных плёнок на поверхности частиц.
• Азотирование в аммиаке. При использовании NH₃ вместо N₂ реакция начинается от 500 °C и протекает активнее: образующиеся на первой стадии гидриды церия разрыхляют металл, предотвращая пассивацию поверхности нитридной плёнкой.
• Реактивное плавление в дуговой печи в атмосфере азота. Применяют для получения компактных образцов и мишеней; полная конверсия затруднена.
• PVD-методы (реактивное магнетронное распыление, ионное осаждение) — для нанесения тонких плёнок CeN на подложки.

Применение нитрида церия

Суррогатный материал для нитрида урана в ядерных исследованиях

Нитрид урана (UN) рассматривается как перспективное топливо для ядерных реакторов с повышенной нагрузкой по урану и теплопроводностью. Однако работа с UN сопряжена с радиационными рисками. Нитрид церия — наиболее обоснованный нерадиоактивный суррогат для UN: оба соединения имеют идентичный кристаллотип NaCl, близкую температуру плавления и высокую чувствительность к окислению. CeN используют при отработке технологий спекания, изготовления таблеток и исследования поведения нитридного топлива под облучением.

Тонкоплёночные покрытия

Плёнки CeN, нанесённые методами реактивного магнетронного распыления или ионного осаждения, исследуются как жаростойкие и износостойкие покрытия. Плёнка с плотностью 7,82 г/см³ демонстрирует твёрдость выше, чем у монокристаллического кремния. Ориентация плёнки по плоскости (111) достигается регулировкой мощности напыления и соотношения N₂/Ar в рабочем газе.

Тугоплавкая керамика и исследовательские материалы

CeN относится к тугоплавким керамическим соединениям. Используется как исходный материал при исследованиях в области полупроводников, фотоэлектрических материалов и магнитных свойств соединений редкоземельных элементов. Интерес представляют нестандартные электронные свойства: p-тип проводимости, нестабильная валентность церия и переходы 4f-электронов.

Формы поставки нитрида церия CeN

Нитрид церия поставляется в форме порошка различных фракций. Упаковка — герметичная тара в инертной атмосфере. Поставка возможна от любого количества. Для уточнения степени чистоты, фракционного состава и условий отгрузки — направляйте запрос.

Смотрите также: карбид церия и гексаборид церия — тугоплавкие соединения церия со схожими областями применения в высокотемпературной керамике и исследовательских материалах.