Magiskt sällsynt jordartsmetall: Terbium

Terbiumtillhör kategorin tunga sällsynta jordartsmetaller, med en låg förekomst i jordskorpan på endast 1,1 ppm.Terbiumoxidstår för mindre än 0,01 % av den totala mängden sällsynta jordartsmetaller. Även i den tunga sällsynta jordartsmalmen med hög yttriumjonhalt och högst terbiumhalt står terbiumhalten endast för 1,1–1,2 % av den totala mängdensällsynta jordartsmetaller, vilket indikerar att den tillhör den "ädla" kategorin avsällsynta jordartsmetallergrundämnen. I över 100 år sedan upptäckten av terbium år 1843 har dess knapphet och värde förhindrat dess praktiska tillämpning under lång tid. Det är först under de senaste 30 åren somterbiumhar visat sin unika talang.

Upptäck historia

Den svenske kemisten Carl Gustaf Mosander upptäckte terbium år 1843. Han upptäckte dess föroreningar iyttriumoxidochY2O3. Yttriumär uppkallad efter byn Itby i Sverige. Innan jonbytestekniken uppstod isolerades inte terbium i sin rena form.

Mossander delade förstyttriumoxidi tre delar, alla uppkallade efter malmer:yttriumoxid, erbiumoxidochterbiumoxid. Terbiumoxidbestod ursprungligen av en rosa del, på grund av grundämnet som nu kallaserbium. Erbiumoxid(inklusive det vi nu kallar terbium) var ursprungligen en färglös beståndsdel i lösning. Den olösliga oxiden av detta element anses vara brun.

Senare forskare fann det svårt att observera små färglösa ”erbiumoxid", men den lösliga rosa delen kan inte ignoreras. Debatten om förekomsten averbiumoxidhar upprepade gånger dykt upp. I kaoset vändes 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 natriumdisulfid eller kaliumsulfat för att avlägsna ceriumdioxid frånyttriumoxidoavsiktligt vändaterbiumtill ceriumhaltiga utfällningar. För närvarande känt som 'terbium', bara cirka 1 % av originaletyttriumoxidär närvarande, men detta är tillräckligt för att överföra en ljusgul färg tillyttriumoxidDärför,terbiumär en sekundär komponent som ursprungligen innehöll den, och den kontrolleras av dess omedelbara grannar,gadoliniumochdysprosium.

Efteråt, närhelst andrasällsynta jordartsmetallerelement separerades från denna blandning, oavsett oxidens andel, namnet terbium behölls tills slutligen den bruna oxiden avterbiumerhölls 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

Elektronisk layout:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

Det elektroniska arrangemanget avterbiumär [Xe] 6s²⁴f³. Normalt kan endast tre elektroner avlägsnas innan kärnladdningen blir för stor för att joniseras ytterligare. Men i fallet medterbium, den halvfylldaterbiummöjliggör ytterligare jonisering av den fjärde elektronen i närvaro av ett mycket starkt oxidationsmedel såsom fluorgas.

Metall

""

Terbiumär 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 tidiga lantanidelement är den relativt stabil i luften. Det nionde elementet av lantanidelementen, terbium, är en högladdad metall som reagerar med vatten för att bilda vätgas.

I naturen,terbiumhar aldrig visat sig vara ett fritt element, utan förekommer i små mängder i fosfor, cerium, torium, sand och kisel, beryllium, yttriummalm.Terbiumsamexisterar med andra sällsynta jordartsmetaller i monazitsand, med en terbiumhalt på generellt 0,03 %. Andra källor inkluderar yttriumfosfat och sällsynt jordartsmetallguld, vilka båda är blandningar av oxider som innehåller upp till 1 % terbium.

Ansökan

Tillämpningen avterbiuminvolverar mestadels högteknologiska områden, som 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. Ochterbiumär 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

Sällsynta jordartsmetallerterbiumkan förbättra grödornas kvalitet och öka fotosynteshastigheten inom ett visst koncentrationsområde. Terbiumkomplexen har hög biologisk aktivitet, och de ternära komplexen avterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, har goda antibakteriella och bakteriedödande effekter på Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis och Escherichia coli, med bredspektrum antibakteriella egenskaper. Studien av dessa komplex ger en ny forskningsinriktning för moderna bakteriedödande läkemedel.

Används inom luminescens

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. Om födelsen av sällsynta jordartsmetaller för färg-TV, rött fluorescerande pulver, har stimulerat efterfrågan påyttriumocheuropium, då har tillämpningen och utvecklingen av terbium främjats av sällsynta jordartsmetaller med tre primärfärger grönt fluorescerande pulver för lampor. I början av 1980-talet uppfann Philips världens första kompakta energisparande lysrör och marknadsförde det snabbt globalt. Tb3+-joner kan avge grönt ljus med en våglängd på 545 nm, och nästan alla sällsynta jordartsmetaller med grönt fluorescerande pulver använderterbium, som en aktivator.

Det gröna fluorescerande pulvret som används för katodstrålerör (CRT) för färg-TV har alltid huvudsakligen baserats på billig och effektiv zinksulfid, men terbiumpulver har alltid använts som grönt pulver för projektionsfärg-TV, såsom 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. 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 fluorescerande pulver av sällsynta jordartsmetaller för sensibiliseringsscreening, såsomterbium,aktiverad lantansulfidoxid, terbiumaktiverad lantanbromidoxid (för gröna skärmar) och terbiumaktiverad yttriumsulfidoxid. Jämfört med kalciumvolframat kan fluorescerande pulver av sällsynta jordartsmetaller minska tiden för röntgenbestrålning för patienter med 80 %, förbättra upplösningen hos röntgenfilmer, förlänga livslängden för röntgenrör och minska energiförbrukningen. Terbium används också som en fluorescerande pulveraktivator för medicinska röntgenförbättringsskärmar, vilket avsevärt kan förbättra känsligheten för röntgenomvandling till optiska bilder, förbättra röntgenfilmers tydlighet och avsevärt minska exponeringsdosen av röntgenstrålar för människokroppen (med mer än 50 %).

Terbiumanvänds också som aktivator i vit LED-fosfor som exciteras av blått ljus för ny halvledarbelysning. Den kan användas för att producera terbiumaluminiummagnetooptiska kristallfosforer, med hjälp av 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 fluorescerande pulver medterbiumsom 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 studiet avsällsynta jordartsmetallerorganiska komplexa elektroluminescerande tunna filmer, finns det fortfarande ett visst glapp från den praktiska tillämpningen, och forskningen på organiska komplexa elektroluminescerande tunna filmer och anordningar av sällsynta jordartsmetaller är fortfarande på djup.

Terbiums fluorescensegenskaper används också som fluorescenssonder. Interaktionen mellan ofloxacin terbium (Tb3+)-komplexet och deoxiribonukleinsyra (DNA) studerades med hjälp av fluorescens- och absorptionsspektra, såsom fluorescenssonden för ofloxacin terbium (Tb3+). Resultaten visade att ofloxacin Tb3+-sonden kan bilda en fårbindning med DNA-molekyler, och deoxiribonukleinsyra kan avsevärt förbättra fluorescensen hos ofloxacin Tb3+-systemet. Baserat på denna förändring kan deoxiribonukleinsyra 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 höga Faraday-rotationsvinklar 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 med 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-övergångsmetalllegeringar av tunna filmer har använts för att tillverka högpresterande magnetooptiska skivor. Bland dem har TbFeCo-legeringens tunnfilm bäst prestanda. Terbiumbaserade magnetooptiska material har producerats i stor skala, och magnetooptiska 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 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 kontinuerliga fördjupningen av den globala teknologiska revolutionen, framkom nya material för sällsynta jordartsmetaller snabbt. År 1984 samarbetade Iowa State University, Ames Laboratory vid det amerikanska energidepartementet och US Navy Surface Weapons Research Center (från vilket huvudpersonalen vid det senare etablerade Edge Technology Corporation (ET REMA) kom) för att utveckla ett nytt intelligent material av sällsynta jordartsmetaller, nämligen terbiumdysprosium ferromagnetiskt magnetostriktivt material. Detta nya intelligenta material har utmärkta egenskaper för 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 gigantiska magnetostriktiva materialet terbiumdysprosium 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 av detta material. Men med den betydande förbättringen av Kinas övergripande nationella styrka kommer kravet på att uppnå en militär konkurrensstrategi för 2000-talet och förbättra utrustningsnivåerna definitivt att vara mycket brådskande. Därför kommer den utbredda användningen av terbiumdysprosiumjärnjättemagnetostriktiva material av militära och nationella försvarsdepartement att vara en historisk nödvändighet.

Kort sagt, de många utmärkta egenskaperna hosterbiumgör det till en oumbärlig del av många funktionella material och en oersättlig position inom vissa tillämpningsområden. På grund av det höga priset på terbium 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 lågkostnadsprodukter.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 avterbiumMen många funktionella material klarar sig inte utan det, så vi måste hålla oss till principen att "använda bra stål på bladet" och försöka spara på användningen avterbiumså mycket som möjligt.

 


Publiceringstid: 25 oktober 2023