Terbiumtillhör kategorin tungasällsynta jordartsmetaller, med en låg förekomst i jordskorpan på endast 1,1 ppm. Terbiumoxid står för mindre än 0,01 % av det totala antalet sällsynta jordartsmetaller. Även i den tunga sällsynta jordartsmetallmalmen med hög yttriumjontyp med högst halt av terbium, står terbiumhalten endast för 1,1-1,2 % av den totala sällsynta jordartsmetallen, vilket indikerar att den tillhör den "ädla" kategorin av sällsynta jordartsmetaller. I över 100 år sedan upptäckten av terbium 1843, har dess brist och värde hindrat dess praktiska tillämpning under lång tid. Det är bara under de senaste 30 åren som terbium har visat sin unika talang.
Upptäck historia
Den svenske kemisten Carl Gustaf Mosander upptäckte terbium 1843. Han fann dess föroreningar iYttrium(III)oxidochY2O3. Yttrium är uppkallat efter byn Ytterby i Sverige. Före uppkomsten av jonbytarteknologin 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)oxidoch terbiumoxid. Terbiumoxid bestod ursprungligen av en rosa del, på grund av det element som nu kallas erbium. "Erbium(III)oxid" (inklusive vad vi nu kallar terbium) var ursprungligen den väsentligen färglösa delen i lösningen. Den olösliga oxiden av detta element anses vara brun.
Senare arbetare kunde knappast observera den lilla färglösa "Erbium(III)-oxiden", men den lösliga rosa delen kunde inte ignoreras. Debatter om förekomsten av Erbium(III)oxid har uppstått upprepade gånger. I kaoset byttes det ursprungliga namnet om 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 förvandla terbium till ett sediment innehållande cerium. Endast cirka 1 % av den ursprungliga Yttrium(III)-oxiden, nu känd som "terbium", är tillräckligt för att överföra en gulaktig färg till Yttrium(III)-oxid. Därför är terbium en sekundär komponent som ursprungligen innehöll det, och det kontrolleras av sina omedelbara grannar, gadolinium och dysprosium.
Efteråt, närhelst andra sällsynta jordartsmetaller separerades från denna blandning, oberoende av andelen oxid, behölls namnet terbium tills den bruna terbiumoxiden slutligen erhölls i ren form. Forskare på 1800-talet använde inte ultraviolett fluorescensteknik för att observera ljusgula eller gröna knölar (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 bara tre elektroner avlägsnas innan kärnladdningen blir för stor för att ytterligare joniseras, men i fallet med terbium gör halvfyllt terbium att den fjärde elektronen kan joniseras ytterligare i närvaro av mycket starka oxidanter som fluorgas.
Terbium är en silvervit sällsynt jordartsmetall med duktilitet, seghet och mjukhet som kan skäras med en kniv. Smältpunkt 1360 ℃, kokpunkt 3123 ℃, densitet 8229 4kg/m3. Jämfört med den tidiga lantaniden är den relativt stabil i luften. Som det nionde grundämnet i lantanid är terbium en metall med stark elektricitet. Det reagerar med vatten och bildar väte.
I naturen har terbium aldrig visat sig vara ett fritt grundämne, varav en liten mängd finns i phosphocerium thorium sand och Gadolinite. Terbium samexisterar med andra sällsynta jordartsmetaller i monazitsand, med en generellt 0,03 % terbiumhalt. Andra källor är Xenotime och svarta sällsynta guldmalmer, som båda är blandningar av oxider och innehåller upp till 1 % terbium.
Ansökan
Användningen av terbium involverar mestadels högteknologiska områden, som är teknikintensiva och kunskapsintensiva spjutspetsprojekt, såväl som projekt med betydande ekonomiska fördelar, med attraktiva utvecklingsmöjligheter.
De huvudsakliga tillämpningsområdena inkluderar:
(1) Används i form av blandade sällsynta jordartsmetaller. Till exempel används det som en sällsynt jordartsmetallblandning och fodertillsats för jordbruket.
(2) Aktivator för grönt pulver i tre primära fluorescerande pulver. Moderna optoelektroniska material kräver användning av tre grundläggande färger av fosfor, nämligen röd, grön och blå, som kan användas för att syntetisera olika färger. Och terbium är en oumbärlig komponent i många högkvalitativa gröna fluorescerande pulver.
(3) Används som magnetoptiskt lagringsmaterial. Amorfa metallterbiumövergångsmetallegeringsfilmer har använts för att tillverka högpresterande magnetoptiska skivor.
(4) Tillverkar magnetoptiskt glas. Faraday rotationsglas som innehåller terbium är ett nyckelmaterial för tillverkning av rotatorer, isolatorer och cirkulatorer inom laserteknik.
(5) Utvecklingen och utvecklingen av terbiumdysprosium ferromagnetostriktiv legering (TerFenol) har öppnat upp för nya tillämpningar för terbium.
För jordbruk och djurhållning
Sällsynt jordartsmetallerbium kan förbättra kvaliteten på grödor 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. Studiet av sådana komplex ger en ny forskningsriktning för moderna bakteriedödande läkemedel.
Används inom området luminescens
Moderna optoelektroniska material kräver användning av tre grundläggande färger av fosfor, nämligen röd, grön och blå, som kan användas för att syntetisera olika färger. Och terbium är en oumbärlig komponent i många högkvalitativa gröna fluorescerande pulver. Om födelsen av rött fluorescerande pulver för färg-TV med sällsynta jordartsmetaller har stimulerat efterfrågan på yttrium och europium, så har tillämpningen och utvecklingen av terbium främjats av sällsynta jordartsmetaller med tre primära gröna fluorescerande pulver för lampor. I början av 1980-talet uppfann Philips världens första kompakta energibesparande lysrör och marknadsförde den snabbt globalt. Tb3+joner kan avge grönt ljus med en våglängd på 545nm, och nästan alla gröna fosforer av sällsynta jordartsmetaller använder terbium som aktivator.
Den gröna fosforn för färg-TV katodstrålerör (CRT) har alltid varit baserad på zinksulfid, vilket är billigt och effektivt, men terbiumpulvret har alltid använts som den gröna fosforn för projektionsfärg-TV, inklusive Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ och LaOBr ∶ Tb3+. Med utvecklingen av högupplöst TV (HDTV) med stor skärm, utvecklas även högpresterande gröna fluorescerande pulver för CRT. Till exempel har ett hybridt grönt fluorescerande pulver utvecklats utomlands, bestående av Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ och Y2SiO5: Tb3+, som har utmärkt luminescenseffektivitet vid hög strömtäthet.
Det traditionella röntgenfluorescerande pulvret är kalciumvolframat. På 1970- och 1980-talen utvecklades sällsynta jordartsmetallfosforer för intensifiering av skärmar, såsom terbiumaktiverad svavellantanoxid, terbiumaktiverad brom Lantanoxid (för gröna skärmar), terbiumaktiverad svavel Yttrium(III)oxid, etc. Jämfört med kalcium, volframat sällsynta jordartsmetaller fluorescerande pulver kan minska tiden för röntgen bestrålning för patienter med 80 %, förbättra upplösningen av 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 klarheten hos röntgenfilmer och kraftigt minska exponeringsdosen av röntgen- strålar till människokroppen (med mer än 50%).
Terbium används också som aktivator i den vita LED-fosforen som exciteras av blått ljus för ny halvledarbelysning. Den kan användas för att producera terbiumaluminiummagnetooptiska kristallfosforer, med hjälp av blåljusemitterande dioder som excitationsljuskällor, och den genererade fluorescensen blandas med excitationsljuset för att producera rent vitt ljus.
De elektroluminescerande materialen gjorda av terbium inkluderar huvudsakligen zinksulfidgrön fosfor med terbium som aktivator. Under ultraviolett bestrålning kan organiska komplex av terbium avge stark grön fluorescens och kan användas som elektroluminescerande tunnfilmsmaterial. Även om betydande framsteg har gjorts i studiet av organiska komplexa elektroluminescerande tunna filmer av sällsynta jordartsmetaller, finns det fortfarande ett visst gap från praktiska egenskaper, och forskning om organiska komplexa elektroluminescerande tunna filmer och anordningar för sällsynta jordartsmetaller är fortfarande på djupet.
Terbiums fluorescensegenskaper används också som fluorescenssonder. Till exempel användes Ofloxacin terbium (Tb3+) fluorescensprob för att studera interaktionen mellan Ofloxacin terbium (Tb3+)-komplex och DNA (DNA) genom fluorescensspektrum och absorptionsspektrum, vilket indikerar att Ofloxacin Tb3+-sond kan bilda en spårbindning med DNA-molekyler och DNA kan signifikant förbättra fluorescensen av Ofloxacin Tb3+system. Baserat på denna förändring kan DNA bestämmas.
För magnetoptiska material
Material med Faraday-effekt, även känd som magneto-optiska material, används ofta i lasrar och andra optiska enheter. Det finns två vanliga typer av magnetoptiska material: magnetoptiska kristaller och magnetoptiska glas. Bland dem har magneto-optiska kristaller (som Yttriumjärngranat och terbiumgalliumgranat) fördelarna med justerbar arbetsfrekvens och hög termisk stabilitet, men de är dyra och svåra att tillverka. Dessutom har många magnetoptiska kristaller med hög Faraday-rotationsvinkel hög absorption i kortvågsområdet, vilket begränsar deras användning. Jämfört med magnetoptiska kristaller har magnetoptiskt glas fördelen av hög transmittans och är lätt att göra till stora block eller fibrer. För närvarande är magnetoptiska glasögon med hög Faraday-effekt huvudsakligen sällsynta jordartsmetalljondopade glas.
Används för magnetooptiska lagringsmaterial
Under de senaste åren, med den snabba utvecklingen av multimedia och kontorsautomation, har efterfrågan på nya magnetskivor med hög kapacitet ökat. Amorfa metallterbiumövergångsmetallegeringsfilmer har använts för att tillverka högpresterande magneto-optiska skivor. Bland dem har TbFeCo-legeringen den bästa prestandan. Terbiumbaserade magneto-optiska material har producerats i stor skala, och magneto-optiska skivor tillverkade av dem används som datorlagringskomponenter, med lagringskapaciteten ökad 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 mest använda magneto-optiska materialet i de synliga och nära-infraröda banden är Terbium Gallium Garnet (TGG) enkristall, som är det bästa magnetoptiska materialet för att tillverka Faradays rotatorer och isolatorer.
För magnetoptiskt glas
Faraday magneto optiskt glas har god transparens och isotropi i de synliga och infraröda områdena och kan bilda olika komplexa former. Det är lätt att producera stora produkter och kan dras till optiska fibrer. Därför har den breda tillämpningsmöjligheter inom magnetoptiska enheter som magnetoptiska isolatorer, magnetoptiska modulatorer och fiberoptiska strömsensorer. På grund av dess stora magnetiska moment och små absorptionskoefficient i det synliga och infraröda området, har Tb3+joner blivit vanligast använda sällsynta jordartsmetalljoner i magnetoptiska glasögon.
Terbium dysprosium ferromagnetostriktiv legering
I slutet av 1900-talet, med fördjupningen av världens vetenskapliga och tekniska revolution, dyker nya sällsynta jordartsmetaller fram snabbt. 1984, Iowa State University i USA, Ames Laboratory vid USA:s energidepartement i USA och US Navy Surface Weapons Research Center (huvudpersonalen på det senare etablerade American Edge Technology Company (ET REMA) kom från centrum) utvecklade tillsammans ett nytt sällsynt jordartsmetallmaterial, nämligen terbium dysprosium järn jättemagnetostriktivt material. Detta nya Smart-material har de utmärkta egenskaperna att snabbt omvandla elektrisk energi till mekanisk energi. Undervattens- och elektroakustiska omvandlare gjorda av detta gigantiska magnetostriktiva material har framgångsrikt konfigurerats i marinutrustning, högtalare för detektering av oljekällor, styrsystem för buller och vibrationer, samt havsprospektering och underjordiska kommunikationssystem. Så snart det magnetostriktiva materialet terbiumdysprosium järn, jättelikt, föddes, fick det därför stor uppmärksamhet från industriländer runt om i världen. Edge Technologies i USA började producera terbiumdysprosium järngigantiska magnetostriktiva material 1989 och gav dem namnet Terfenol D. Därefter utvecklade Sverige, Japan, Ryssland, Storbritannien och Australien också 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 (som flottan). Även om Kinas militära och försvarsdepartement gradvis stärker sin förståelse av 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 verkligen att vara mycket brådskande. Därför kommer den utbredda användningen av terbiumdysprosium järngigantiska magnetostriktiva material av militära och nationella försvarsdepartement att vara en historisk nödvändighet.
Kort sagt, de många utmärkta egenskaperna hos terbium gör det till en oumbärlig del av många funktionella material och en oersättlig position inom vissa applikationsområden. Men på grund av det höga priset på terbium har man studerat hur man undviker och minimerar användningen av terbium för att minska produktionskostnaderna. Till exempel, sällsynta jordartsmetaller magneto-optiska material bör också använda billiga dysprosium järnkobolt eller gadolinium terbium kobolt så mycket som möjligt; Försök att minska halten 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 klarar sig inte utan det, så vi måste följa principen om att "använda bra stål på bladet" och försöka spara användningen av terbium så mycket som möjligt.
Posttid: 2023-05-05