二氧化铈（Ceria, CeO₂）是一种重要的稀土氧化物，其独特性质完全源于其核心元素——铈（Ce）独特的电子结构。

• 可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对: 这是CeO₂最核心、最重要的特性。铈是少数具有两种稳定氧化态（+3和+4）的镧系元素。这使得CeO₂晶格能够通过形成或填充氧空位，在Ce⁴⁺和Ce³⁺之间轻松地、可逆地转换，同时保持其萤石晶体结构的稳定。
  反应式: 2Ce⁴⁺ + O²⁻(晶格) ⇌ 2Ce³⁺ + Vₒ (氧空位) + ½O₂(g)
• 高储氧/释氧能力 (OSC): 上述可逆的氧化还原特性，赋予了CeO₂极其优异的储氧/释氧能力（Oxygen Storage Capacity, OSC）。它可以在富氧环境中储存氧气（Ce³⁺→Ce⁴⁺），在缺氧环境中又释放出氧气（Ce⁴⁺→Ce³⁺），扮演一个“氧气缓冲器”的角色。

当CeO₂的尺寸缩小到纳米尺度时，其由巨大的比表面积和尺寸效应主导的氧化还原能力被极大地放大。

• 尺寸依赖的氧化还原活性: 当CeO₂的尺寸缩小到纳米级别（特别是Ce³⁺离子的浓度急剧增加，从而使其氧化还原活性被极大地放大。
• 自再生的纳米酶活性: 这是CeO₂纳米颗粒在生物医学中最具革命性的特性。其表面的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对可以模拟多种天然抗氧化酶的活性，清除对细胞有害的活性氧（ROS）。
  • 类超氧化物歧化酶 (SOD-like) 活性: 2•O₂⁻ + 2H⁺ --(Ce³⁺→Ce⁴⁺)→ H₂O₂ + O₂
  • 类过氧化氢酶 (Catalase-like) 活性: 2H₂O₂ --(Ce⁴⁺→Ce³⁺)→ 2H₂O + O₂
  最关键的是，这两个反应可以构成一个自催化循环，使其能够像真正的酶一样，在清除ROS的过程中不断再生，从而实现长效的抗氧化作用。

对于CeO₂，通过掺杂是进一步提高其储氧能力、离子电导率和催化性能的核心手段。

目标: 将低价态的金属阳离子（如三价或二价）引入CeO₂的晶格中，以取代部分Ce⁴⁺的位置。

• 三价离子掺杂 (如 Y³⁺, Gd³⁺, Sm³⁺): 这是最常用、最有效的掺杂方式。当一个三价离子（如钆Gd³⁺）取代一个Ce⁴⁺的位置时，为了维持晶格的电荷平衡，必须在晶格中额外产生一个氧空位。
  缺陷反应式: Gd₂O₃ --(CeO₂)→ 2Gd'_Ce + Vₒ•• + 3O^x_O
• 二价离子掺杂 (如 Ca²⁺): 掺杂二价离子可以引入更多的氧空位。

• 提高储氧能力 (OSC): 掺杂引入的大量氧空位，极大地提高了CeO₂储存和释放氧气的能力。
• 提高离子电导率: 氧空位是氧离子在晶格中迁移的通道。掺杂可以极大地提高CeO₂的氧离子电导率，使其成为一种优异的固体电解质，用于固体氧化物燃料电池（SOFC）。

二氧化铈（CeO₂）纳米颗粒凭借其无与伦比的储氧/释氧能力和氧化还原特性，是现代催化科学与工业中最重要的助催化剂和载体之一。

这是CeO₂纳米催化剂最重要、用量最大的应用，是现代汽车三元催化器（TWC）中不可或缺的核心助剂。

• 储氧/释氧助剂 (OSC material):
  • 原理: 汽车发动机的空燃比（AFR）会不断地在富燃（缺氧）和贫燃（富氧）之间波动。CeO₂的作用就是“削峰填谷”，维持催化剂表面最佳的氧化还原氛围。
  • 工作机制: 在贫燃（富氧）时，CeO₂会储存多余的氧气（Ce³⁺→Ce⁴⁺）；在富燃（缺氧）时，它会释放出储存的氧气（Ce⁴⁺→Ce³⁺），用于将有毒的CO和碳氢化合物（HC）氧化。
  • 优势: CeO₂的加入极大地拓宽了三元催化器（Pt, Pd, Rh）高效工作的空燃比窗口，并提高了其抗中毒能力和使用寿命。

将贵金属纳米颗粒负载于CeO₂表面，可以构建出具有极高活性的复合催化剂。

• 载体-金属强相互作用 (SMSI): CeO₂与负载的贵金属（如Pt, Pd, Au）之间存在极强的电子相互作用。CeO₂不仅可以稳定和分散贵金属颗粒，更重要的是，其表面的氧空位和Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对可以参与到催化反应的循环中，与贵金属产生协同催化效应，极大地提高催化活性（如在CO氧化、水煤气变换反应中）。

二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）不适用于光学成像。然而，其独特的氧化还原特性和催化活性，使其在生物传感领域具有独特的应用价值。

纳米酶是指具有类酶催化活性的纳米材料。CeO₂ NPs是研究最深入、活性最高的氧化还原纳米酶之一。

• 类过氧化物酶 (Peroxidase-like) 活性: 这是CeO₂ NPs最主要的纳米酶活性。它能够像天然的辣根过氧化物酶（HRP）一样，在温和条件下催化过氧化氢（H₂O₂）氧化无色的底物（如TMB），产生蓝色的产物。
• 传感原理:
  1. 将一种能够产生H₂O₂的酶（如葡萄糖氧化酶, GOD）与CeO₂ NPs结合。
  2. 当待测物（如葡萄糖）存在时，GOD会催化其氧化并产生H₂O₂。
  3. 产生的H₂O₂随即被CeO₂ NPs利用，催化显色反应。
  4. 通过测量颜色的深浅，即可定量检测待测物的浓度。
• 优势: 相比于天然酶，CeO₂ NPs作为纳米酶具有成本低、稳定性高、活性可再生的优点。

二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）在治疗领域的核心应用是其作为一种可再生的、广谱的纳米抗氧化剂，用于治疗各种与氧化应激相关的疾病。

这是CeO₂ NPs在生物医学中最具革命性的应用。

• 自再生抗氧化机理: CeO₂ NPs可以模拟多种天然抗氧化酶的活性，清除体内过量的、有害的活性氧（ROS）。
  • 类超氧化物歧化酶 (SOD-like) 活性: 表面的Ce³⁺可以催化超氧阴离子自由基（•O₂⁻）的歧化反应，同时自身被氧化为Ce⁴⁺。
  • 类过氧化氢酶 (Catalase-like) 活性: 表面的Ce⁴⁺可以催化过氧化氢（H₂O₂）的分解反应，同时自身被还原为Ce³⁺。
• 核心优势 - 自再生: 上述两个反应构成了一个自催化循环。这意味着CeO₂ NPs在清除ROS的过程中，其活性位点（Ce³⁺/Ce⁴⁺）可以不断地再生，从而实现长效的、催化性的抗氧化作用，这是传统的小分子抗氧化剂（如维生素C）无法比拟的。
• 治疗应用: 这种清除ROS的能力，使其在治疗阿尔兹海默症、帕金森症、缺血再灌注损伤、炎症、辐射损伤等几乎所有与氧化应激相关的重大疾病方面，都展现出巨大的应用潜力。

二氧化铈（CeO₂）纳米颗粒的生物安全性是一个极其复杂且至今仍存在争议的课题，其生物学效应呈现出显著的双重性（Jekyll-and-Hyde）。

• 抗氧化 vs. 促氧化: CeO₂ NPs的生物学效应高度依赖于其所处的微环境。
  • 在正常细胞/组织中 (pH ~7.4): CeO₂ NPs主要表现出清除ROS的抗氧化和细胞保护作用。
  • 在肿瘤细胞/酸性环境中 (pH 在酸性条件下，CeO₂ NPs的类过氧化物酶活性可能占主导，反而会催化产生ROS，表现出促氧化和细胞杀伤作用。
• 生物持久性: CeO₂在体内是不可生物降解的。其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，是其走向临床应用前必须解决的关键问题。长期吸入可能导致肺部肉芽肿。

高质量、尺寸均一的二氧化铈纳米颗粒的合成，主要依赖于铈盐在溶液中的可控水解和沉淀。

这是制备高质量、结晶性良好的CeO₂纳米颗粒最常用、最经典的方法。

• 原理:
  1. 前驱体: 使用铈的盐（如硝酸铈 Ce(NO₃)₃·6H₂O 或 硫酸铈）作为前驱体。
  2. 反应体系: 将前驱体溶解在水、乙醇或它们的混合溶剂中，通常会加入一种沉淀剂/结构导向剂（如尿素、氢氧化钠、柠檬酸钠）。
  3. 密封加热: 将整个体系密封于高压反应釜内，在一定温度下（通常100-200 °C）加热数小时。在高温高压下，Ce³⁺首先被氧化为Ce⁴⁺，然后水解，并直接结晶为CeO₂纳米颗粒。
• 优势: 这种方法可以一步法合成出结晶性良好、尺寸可控的CeO₂纳米颗粒，并可方便地通过改变添加剂来调控其形貌（如球形、棒状、立方体）。

在常温常压下，向铈盐溶液中滴加碱（如NaOH, NH₃·H₂O）使Ce(OH)ₓ沉淀，随后通过热处理或熟化得到CeO₂。此法简单、成本低，适合大规模制备。

对二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）的精确表征是评估其催化和生物学性能的关键。对其氧化态和表面性质的表征尤为重要。

• 元素组成与化学态: X射线光电子能谱 (XPS) 是表征CeO₂ NPs最核心、最关键的技术。通过分析复杂的Ce 3d的高分辨谱，可以精确地区分和定量其表面的Ce³⁺和Ce⁴⁺的相对含量。Ce³⁺的比例是评价其储氧能力、催化活性和纳米酶活性的最直接指标。
• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD) 是鉴定CeO₂晶相的金标准技术。通过对比标准谱图（JCPDS No. 34-0394），可以确认产物是否为纯的立方萤石相CeO₂。

• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察CeO₂ NPs尺寸、形貌和晶格结构的金标准。

• 储氧能力 (OSC) 测试: 通过程序升温技术（H₂-TPR, O₂-TPD），可以定量地评估其储氧/释氧的能力。

二氧化铈纳米颗粒的表面工程是其实现稳定、安全的生物医学应用的前提，其核心任务是提高其胶体稳定性和引入生物相容性涂层。

裸露的CeO₂ NPs在生理环境中容易发生团聚，并与生物分子发生非特异性吸附。

• 聚合物包覆:
  • 聚乙二醇化 (PEGylation): 这是用于生物医学应用最重要的表面修饰。通过化学方法将聚乙二醇（PEG）链共价连接或物理吸附到CeO₂ NPs表面。PEG层可以：1) 赋予其优异的生理环境稳定性；2) 有效“屏蔽”其表面，阻止蛋白吸附，躲避免疫系统清除，实现长循环。
  • 其它生物分子: 也可以使用葡聚糖、柠檬酸、磷脂等生物相容性分子对其进行表面修饰。

这是提高其光催化性能的最有效策略之一。

• 贵金属沉积: 在CeO₂表面负载少量的贵金属纳米颗粒（如铂Pt, 金Au），可以构建具有协同催化效应的复合催化剂。