Terbiumtillhör kategorin tungsällsynta jordartsmetaller, med en låg förekomst i jordskorpan på endast 1,1 ppm. Terbiumoxid står för mindre än 0,01 % av den totala mängden sällsynta jordartsmetaller. Även i den tunga sällsynta jordartsmalmen med hög yttriumjonhalt och den högsta halten terbium, står terbiumhalten endast för 1,1–1,2 % av den totala mängden sällsynta jordartsmetaller, vilket indikerar att den tillhör den "ädla" kategorin av sällsynta jordartsmetaller. I över 100 år, sedan upptäckten av terbium 1843, har dess knapphet och värde länge förhindrat dess praktiska tillämpning. Det är först under de senaste 30 åren som terbium har visat sin unika talang.
Upptäck historia
Den svenske kemisten Carl Gustaf Mosander upptäckte terbium år 1843. Han fann dess föroreningar iYttrium(III)oxidochY2O3Yttrium är uppkallat efter byn Ytterby i Sverige. Innan jonbytestekniken uppstod isolerades inte terbium i sin rena form.
Mosant delade först upp yttrium(III)oxid i tre delar, alla uppkallade efter malmer: yttrium(III)oxid,Erbium(III)oxid, och terbiumoxid. Terbiumoxid bestod ursprungligen av en rosa del, på grund av grundämnet som nu är känt som erbium. ”Erbium(III)oxid” (inklusive det vi nu kallar terbium) var ursprungligen den i huvudsak färglösa delen i lösningen. Den olösliga oxiden av detta grundämne anses vara brun.
Senare kunde arbetare knappast observera den lilla färglösa "Erbium(III)-oxiden", men den lösliga rosa delen kunde inte ignoreras. Debatter om existensen av Erbium(III)-oxid har uppstått upprepade gånger. I kaoset vändes det ursprungliga namnet och namnbytet fastnade, så den rosa delen nämndes så småningom som en lösning innehållande erbium (i lösningen var den rosa). Man tror nu att arbetare som använder natriumbisulfat eller kaliumsulfat tarCerium(IV)oxidur yttrium(III)oxid och oavsiktligt omvandla terbium till ett sediment som innehåller cerium. Endast cirka 1 % av den ursprungliga yttrium(III)oxiden, numera känd som "terbium", räcker för att ge yttrium(III)oxiden en gulaktig färg. Därför är terbium en sekundär komponent som ursprungligen innehöll den, och den kontrolleras av dess omedelbara grannar, gadolinium och dysprosium.
Efteråt, närhelst andra sällsynta jordartsmetaller separerades från denna blandning, oavsett oxidens andel, behölls namnet terbium tills den bruna oxiden av terbium slutligen erhölls i ren form. Forskare på 1800-talet använde inte ultraviolett fluorescensteknik för att observera klargula eller gröna noduler (III), vilket gjorde det lättare för terbium att kännas igen i fasta blandningar eller lösningar.
Elektronkonfiguration
Elektronkonfiguration:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronkonfigurationen för terbium är [Xe] 6s24f9. Normalt kan endast tre elektroner avlägsnas innan kärnladdningen blir för stor för att joniseras ytterligare, men i fallet med terbium tillåter halvfylld terbium att den fjärde elektronen joniseras ytterligare i närvaro av mycket starka oxidanter såsom fluorgas.
Terbium är en silvervit sällsynt jordartsmetall med duktilitet, seghet och mjukhet som kan skäras med kniv. Smältpunkt 1360 ℃, kokpunkt 3123 ℃, densitet 8229 4 kg/m3. Jämfört med den tidiga lantaniden är den relativt stabil i luften. Som det nionde elementet i lantaniden är terbium en metall med stark elektricitet. Den reagerar med vatten för att bilda väte.
I naturen har terbium aldrig visat sig vara ett fritt element, varav en liten mängd finns i fosfocerium-toriumsand och gadolinit. Terbium samexisterar med andra sällsynta jordartsmetaller i monazitsand, med en terbiumhalt på generellt 0,03 %. Andra källor är xenotim och svarta sällsynta guldmalmer, vilka båda är blandningar av oxider och innehåller upp till 1 % terbium.
Ansökan
Tillämpningen av terbium omfattar främst högteknologiska områden, vilka är teknikintensiva och kunskapsintensiva spetsprojekt, såväl som projekt med betydande ekonomiska fördelar och attraktiva utvecklingsmöjligheter.
De viktigaste tillämpningsområdena inkluderar:
(1) Används i form av blandade sällsynta jordartsmetaller. Till exempel används det som ett gödningsmedel för sällsynta jordartsmetaller och fodertillsats för jordbruket.
(2) Aktivator för grönt pulver i tre primära fluorescerande pulver. Moderna optoelektroniska material kräver användning av tre grundläggande fosforfärger, nämligen röd, grön och blå, vilka kan användas för att syntetisera olika färger. Och terbium är en oumbärlig komponent i många högkvalitativa gröna fluorescerande pulver.
(3) Används som magnetooptiskt lagringsmaterial. Tunnfilmer av amorfa metallterbium-övergångsmetalllegeringar har använts för att tillverka högpresterande magnetooptiska skivor.
(4) Tillverkning av magnetooptiskt glas. Faradays roterande glas innehållande terbium är ett viktigt material för tillverkning av rotatorer, isolatorer och cirkulatorer inom laserteknik.
(5) Utvecklingen och utvecklingen av terbiumdysprosium-ferromagnetostriktiv legering (TerFenol) har öppnat upp nya tillämpningar för terbium.
För jordbruk och djurhållning
Sällsynt jordartsmetall terbium kan förbättra grödors kvalitet och öka fotosynteshastigheten inom ett visst koncentrationsområde. Terbiumkomplex har hög biologisk aktivitet. Ternära komplex av terbium, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, har goda antibakteriella och bakteriedödande effekter på Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis och Escherichia coli. De har ett brett antibakteriellt spektrum. Studien av sådana komplex ger en ny forskningsinriktning för moderna bakteriedödande läkemedel.
Används inom luminescens
Moderna optoelektroniska material kräver användning av tre grundfärger av fosfor, nämligen rött, grönt och blått, vilka kan användas för att syntetisera olika färger. Terbium är en oumbärlig komponent i många högkvalitativa gröna fluorescerande pulver. Om födelsen av sällsynta jordartsmetallers röda fluorescerande pulver för färg-TV har stimulerat efterfrågan på yttrium och europium, har tillämpningen och utvecklingen av terbium främjats av sällsynta jordartsmetallers gröna fluorescerande pulver i tre primärfärger för lampor. I början av 1980-talet uppfann Philips världens första kompakta energibesparande lysrör och marknadsförde det snabbt globalt. Tb3+-joner kan avge grönt ljus med en våglängd på 545 nm, och nästan alla sällsynta jordartsmetallers gröna fosforer använder terbium som aktivator.
Det gröna fosforet för katodstrålerör (CRT) i färg-TV har alltid baserats på zinksulfid, vilket är billigt och effektivt, men terbiumpulver har alltid använts som grönt fosfor för projektionsfärg-TV, inklusive Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ och LaOBr ∶ Tb3+. I takt med utvecklingen av storbilds-HDTV (high definition television) utvecklas även högpresterande gröna fluorescerande pulver för CRT-skärmar. Till exempel har ett hybridgrönt fluorescerande pulver utvecklats utomlands, bestående av Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ och Y2SiO5:Tb3+, vilka har utmärkt luminiscenseffektivitet vid hög strömtäthet.
Det traditionella röntgenfluorescerande pulvret är kalciumvolframat. På 1970- och 1980-talen utvecklades sällsynta jordartsmetaller som fosfor för förstärkningsskärmar, såsom terbiumaktiverad svavellantanoxid, terbiumaktiverad bromlantanoxid (för gröna skärmar), terbiumaktiverad svavelyttrium(III)oxid, etc. Jämfört med kalciumvolframat kan sällsynta jordartsmetaller som fluorescerande pulver minska tiden för röntgenbestrålning för patienter med 80 %, förbättra upplösningen på röntgenfilmer, förlänga livslängden på röntgenrör och minska energiförbrukningen. Terbium används också som en fluorescerande pulveraktivator för medicinska röntgenförstärkningsskärmar, vilket avsevärt kan förbättra känsligheten för röntgenomvandling till optiska bilder, förbättra röntgenfilmers klarhet och kraftigt minska exponeringsdosen av röntgenstrålar för människokroppen (med mer än 50 %).
Terbium används också som aktivator i vita LED-fosforer som exciteras av blått ljus för ny halvledarbelysning. Det kan användas för att producera terbiumaluminiummagnetooptiska kristallfosforer, med blå lysdioder som excitationsljuskällor, och den genererade fluorescensen blandas med excitationsljuset för att producera rent vitt ljus.
De elektroluminescerande materialen som tillverkas av terbium består huvudsakligen av zinksulfidgrönt fosfor med terbium som aktivator. Under ultraviolett bestrålning kan organiska komplex av terbium avge stark grön fluorescens och kan användas som tunnfilmselektroluminescerande material. Även om betydande framsteg har gjorts i studien av elektroluminescerande tunnfilmer av sällsynta jordartsmetaller av organiska komplex, finns det fortfarande ett visst gap från den praktiska tillämpningen, och forskningen om elektroluminescerande tunnfilmer och anordningar av sällsynta jordartsmetaller är fortfarande på djupet.
Terbiums fluorescensegenskaper används också som fluorescenssonder. Till exempel användes Ofloxacin terbium (Tb3+) fluorescenssond för att studera interaktionen mellan Ofloxacin terbium (Tb3+) komplexet och DNA (DNA) med hjälp av fluorescensspektrum och absorptionsspektrum, vilket indikerar att Ofloxacin Tb3+ sond kan bilda en spårbindning med DNA-molekyler, och DNA kan avsevärt förbättra fluorescensen hos Ofloxacin Tb3+ systemet. Baserat på denna förändring kan DNA bestämmas.
För magnetooptiska material
Material med Faraday-effekt, även kända som magneto-optiska material, används ofta i lasrar och andra optiska anordningar. Det finns två vanliga typer av magneto-optiska material: magneto-optiska kristaller och magneto-optiskt glas. Bland dem har magneto-optiska kristaller (såsom yttriumjärngranat och terbiumgalliumgranat) fördelarna med justerbar driftsfrekvens och hög termisk stabilitet, men de är dyra och svåra att tillverka. Dessutom har många magneto-optiska kristaller med hög Faraday-rotationsvinkel hög absorption i kortvågsområdet, vilket begränsar deras användning. Jämfört med magneto-optiska kristaller har magneto-optiskt glas fördelen med hög transmittans och är lätt att tillverka i stora block eller fibrer. För närvarande är magneto-optiska glas med hög Faraday-effekt huvudsakligen glas som dopas av sällsynta jordartsmetaller.
Används för magnetooptiska lagringsmaterial
Under senare år, med den snabba utvecklingen av multimedia och kontorsautomation, har efterfrågan på nya magnetiska skivor med hög kapacitet ökat. Amorfa terbium-övergångsmetalllegeringsfilmer har använts för att tillverka högpresterande magnetooptiska skivor. Bland dem har den tunnfilmiga TbFeCo-legeringen bäst prestanda. Terbiumbaserade magnetooptiska material har producerats i stor skala, och magnetooptiska skivor tillverkade av dem används som datorlagringskomponenter, med lagringskapacitet som ökar med 10–15 gånger. De har fördelarna med stor kapacitet och snabb åtkomsthastighet, och kan torkas och beläggas tiotusentals gånger när de används för optiska skivor med hög densitet. De är viktiga material inom elektronisk informationslagringsteknik. Det vanligaste magnetooptiska materialet i det synliga och nära infraröda bandet är terbium-galliumgranat (TGG) enkristall, vilket är det bästa magnetooptiska materialet för att tillverka Faraday-rotatorer och isolatorer.
För magnetooptiskt glas
Faradays magnetooptiska glas har god transparens och isotropi i det synliga och infraröda området och kan bilda en mängd olika komplexa former. Det är lätt att producera stora produkter och kan dras till optiska fibrer. Därför har det breda tillämpningsmöjligheter i magnetooptiska anordningar såsom magnetooptiska isolatorer, magnetooptiska modulatorer och fiberoptiska strömsensorer. På grund av sitt stora magnetiska moment och sin lilla absorptionskoefficient i det synliga och infraröda området har Tb3+-joner blivit vanligt förekommande sällsynta jordartsmetalljoner i magnetooptiska glas.
Terbiumdysprosium ferromagnetostriktiv legering
I slutet av 1900-talet, med den fördjupade världsvetenskapliga och tekniska revolutionen, framträdde nya tillämpade material av sällsynta jordartsmetaller snabbt. År 1984 utvecklade Iowa State University i USA, Ames Laboratory vid United States Department of Energy och US Navy Surface Weapons Research Center (huvudpersonalen vid det senare etablerade American Edge Technology Company (ET REMA) kom från centret) gemensamt ett nytt smartmaterial av sällsynta jordartsmetaller, nämligen terbiumdysprosiumjärn-gigantmagnetostriktivt material. Detta nya smarta material har de utmärkta egenskaperna att snabbt omvandla elektrisk energi till mekanisk energi. De undervattens- och elektroakustiska givare som tillverkas av detta gigantiska magnetostriktiva material har framgångsrikt konfigurerats i marin utrustning, högtalare för oljebrunnsdetektering, buller- och vibrationskontrollsystem samt havsutforskning och underjordiska kommunikationssystem. Därför, så snart det magnetostriktiva materialet av terbiumdysprosiumjärn-gigant föddes, fick det stor uppmärksamhet från industrialiserade länder runt om i världen. Edge Technologies i USA började producera magnetostriktiva jättematerial av terbiumdysprosiumjärn 1989 och döpte dem till Terfenol D. Därefter utvecklade även Sverige, Japan, Ryssland, Storbritannien och Australien magnetostriktiva material av terbiumdysprosiumjärn.
Från historien om utvecklingen av detta material i USA är både uppfinningen av materialet och dess tidiga monopolistiska tillämpningar direkt relaterade till militärindustrin (såsom flottan). Även om Kinas militära och försvarsdepartement gradvis stärker sin förståelse för detta material. Men efter att Kinas omfattande nationella makt har ökat avsevärt kommer kraven för att förverkliga den militära konkurrensstrategin under 2000-talet och förbättra utrustningsnivån säkerligen att vara mycket brådskande. Därför kommer den utbredda användningen av terbiumdysprosiumjärnjättemagnetostriktiva material av militära och nationella försvarsdepartement att vara en historisk nödvändighet.
Kort sagt, terbiums många utmärkta egenskaper gör det till en oumbärlig del av många funktionella material och en oersättlig position inom vissa tillämpningsområden. På grund av terbiums höga pris har man dock studerat hur man kan undvika och minimera användningen av terbium för att minska produktionskostnaderna. Till exempel bör magnetooptiska material av sällsynta jordartsmetaller också använda billiga dysprosiumjärnkobolt eller gadoliniumterbiumkobolt så mycket som möjligt. Försök att minska innehållet av terbium i det gröna fluorescerande pulvret som måste användas. Priset har blivit en viktig faktor som begränsar den utbredda användningen av terbium. Men många funktionella material kan inte klara sig utan det, så vi måste följa principen om att "använda bra stål på bladet" och försöka spara användningen av terbium så mycket som möjligt.
Publiceringstid: 5 juli 2023