Terbiumpatří do kategorie těžkýchvzácných zemin, s nízkým zastoupením v zemské kůře pouze 1,1 ppm. Oxid terbium představuje méně než 0,01 % celkových vzácných zemin. I v těžké rudě vzácných zemin s vysokým obsahem iontů yttria s nejvyšším obsahem terbia tvoří obsah terbia pouze 1,1–1,2 % z celkového množství vzácných zemin, což naznačuje, že patří do „ušlechtilé“ kategorie prvků vzácných zemin. Více než 100 let od objevu terbia v roce 1843 jeho nedostatek a hodnota na dlouhou dobu bránily jeho praktickému použití. Teprve za posledních 30 let ukázalo terbium svůj jedinečný talent.
Objevování historie
Švédský chemik Carl Gustaf Mosander objevil terbium v roce 1843. Jeho nečistoty našel vOxid yttritýaY2O3. Yttrium je pojmenováno po vesnici Ytterby ve Švédsku. Před vznikem technologie iontové výměny nebylo terbium izolováno ve své čisté formě.
Mosant nejprve rozdělil oxid yttritý na tři části, všechny pojmenované podle rud: oxid yttritý,Oxid erbium(III).a oxid terbium. Oxid terbium byl původně složen z růžové části, kvůli prvku nyní známému jako erbium. „Oxid erbium(III)“ (včetně toho, co nyní nazýváme terbium) byl původně v podstatě bezbarvá část v roztoku. Nerozpustný oxid tohoto prvku je považován za hnědý.
Pozdější pracovníci sotva mohli pozorovat drobný bezbarvý „Erbium(III) oxid“, ale rozpustnou růžovou část nebylo možné ignorovat. Debaty o existenci oxidu erbium(III) se objevovaly opakovaně. V tom chaosu se původní název obrátil a záměna jmen se zasekla, takže růžová část byla nakonec zmíněna jako roztok obsahující erbium (v roztoku byl růžový). Nyní se věří, že pracovníci, kteří používají hydrogensíran sodný nebo síran draselný, berouOxid ceričitý (IV).z oxidu yttria (III) a neúmyslně přeměnit terbium na sediment obsahující cer. Pouze asi 1 % původního oxidu yttritého, nyní známého jako „terbium“, stačí k tomu, aby oxid yttritý přešel na nažloutlou barvu. Terbium je tedy sekundární složkou, která jej původně obsahovala, a je kontrolována svými bezprostředními sousedy, gadoliniem a dysprosiem.
Poté, kdykoli byly z této směsi odděleny další prvky vzácných zemin, bez ohledu na podíl oxidu, zůstal název terbium zachován, až nakonec byl získán hnědý oxid terbium v čisté formě. Vědci v 19. století nepoužívali technologii ultrafialové fluorescence k pozorování jasně žlutých nebo zelených uzlů (III), což usnadnilo rozpoznání terbia v pevných směsích nebo roztocích.
Konfigurace elektronů
Konfigurace elektronů:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronová konfigurace terbia je [Xe] 6s24f9. Normálně mohou být odstraněny pouze tři elektrony, než se jaderný náboj stane příliš velkým na to, aby mohl být dále ionizován, ale v případě terbia umožňuje polovyplněné terbium další ionizaci čtvrtého elektronu v přítomnosti velmi silných oxidantů, jako je plynný fluor.
Terbium je stříbrný bílý kov vzácných zemin s tažností, houževnatostí a měkkostí, kterou lze řezat nožem. Bod tání 1360 ℃, bod varu 3123 ℃, hustota 8229 4kg/m3. Ve srovnání s raným Lanthanidem je ve vzduchu relativně stabilní. Jako devátý prvek Lanthanidu je terbium kov se silnou elektřinou. Reaguje s vodou za vzniku vodíku.
V přírodě nebylo nikdy zjištěno, že by terbium bylo volným prvkem, jehož malé množství existuje ve fosfocerium thorium písku a gadolinitu. Terbium koexistuje s jinými prvky vzácných zemin v monazitovém písku s obecně 0,03% obsahem terbia. Dalšími zdroji jsou Xenotime a černé vzácné zlaté rudy, obě jsou směsí oxidů a obsahují až 1 % terbia.
Aplikace
Aplikace terbia se většinou týká high-tech oborů, což jsou technologicky náročné a znalostně náročné špičkové projekty, stejně jako projekty s významnými ekonomickými přínosy, s atraktivní perspektivou rozvoje.
Mezi hlavní oblasti použití patří:
(1) Používá se ve formě smíšených vzácných zemin. Používá se například jako směsné hnojivo vzácných zemin a přísada do krmiv pro zemědělství.
(2) Aktivátor pro zelený prášek ve třech primárních fluorescenčních prášcích. Moderní optoelektronické materiály vyžadují použití tří základních barev fosforu, a to červené, zelené a modré, pomocí kterých lze syntetizovat různé barvy. A terbium je nepostradatelnou součástí mnoha vysoce kvalitních zelených fluorescenčních prášků.
(3) Používá se jako magnetooptický úložný materiál. K výrobě vysoce výkonných magneto-optických disků byly použity tenké filmy slitiny přechodného kovu amorfního kovu.
(4) Výroba magnetooptického skla. Faradayovo rotační sklo obsahující terbium je klíčovým materiálem pro výrobu rotátorů, izolátorů a cirkulátorů v laserové technologii.
(5) Vývoj a vývoj feromagnetostrikční slitiny terbium dysprosium (TerFenol) otevřel terbium nové aplikace.
Pro zemědělství a chov zvířat
Terbium vzácných zemin může zlepšit kvalitu plodin a zvýšit rychlost fotosyntézy v určitém rozsahu koncentrací. Terbium komplexy mají vysokou biologickou aktivitu. Ternární komplexy terbia, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, mají dobré antibakteriální a baktericidní účinky na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis a Escherichia coli. Mají široké antibakteriální spektrum. Studium takových komplexů poskytuje nový směr výzkumu moderních baktericidních léků.
Používá se v oblasti luminiscence
Moderní optoelektronické materiály vyžadují použití tří základních barev fosforu, a to červené, zelené a modré, pomocí kterých lze syntetizovat různé barvy. A terbium je nepostradatelnou součástí mnoha vysoce kvalitních zelených fluorescenčních prášků. Pokud zrození barevného TV červeného fluorescenčního prášku vzácných zemin podnítilo poptávku po yttriu a europiu, pak byla aplikace a vývoj terbia podporována zeleným fluorescenčním práškem vzácných zemin se třemi primárními barvami pro lampy. Na počátku 80. let společnost Philips vynalezla první kompaktní energeticky úspornou zářivku na světě a rychle ji propagovala po celém světě. Ionty Tb3+ mohou vyzařovat zelené světlo o vlnové délce 545nm a téměř všechny zelené fosfory vzácných zemin používají jako aktivátor terbium.
Zelený fosfor pro barevnou televizní katodovou trubici (CRT) byl vždy založen na sulfidu zinečnatém, který je levný a účinný, ale terbiový prášek se vždy používal jako zelený fosfor pro barevné TV projekce, včetně Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ a LaOBr ∶ Tb3+. S rozvojem velkoplošné televize s vysokým rozlišením (HDTV) se vyvíjejí také vysoce výkonné zelené fluorescenční prášky pro CRT. V zahraničí byl například vyvinut hybridní zelený fluorescenční prášek sestávající z Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ a Y2SiO5: Tb3+, které mají vynikající luminiscenční účinnost při vysoké proudové hustotě.
Tradiční rentgenový fluorescenční prášek je wolframan vápenatý. V 70. a 80. letech 20. století byly vyvinuty fosfory vzácných zemin pro zesílení stínítek, jako je terbiem aktivovaná síra oxid lanthanitý, terbiem aktivovaný brom oxid lanthanitý (pro zelené obrazovky), terbiem aktivovaný sírový oxid yttritý atd. Ve srovnání s wolframanem vápenatým, fluorescenční prášek vzácných zemin může snížit dobu rentgenového ozařování pacientů o 80 %, zlepšit rozlišení rentgenového záření filmy, prodlužují životnost rentgenových trubic a snižují spotřebu energie. Terbium se také používá jako fluorescenční práškový aktivátor pro lékařské rentgenové obrazovky, které mohou výrazně zlepšit citlivost konverze rentgenového záření na optické snímky, zlepšit čirost rentgenových filmů a výrazně snížit expoziční dávku rentgenového záření. paprsky do lidského těla (o více než 50 %).
Terbium se také používá jako aktivátor v bílém LED fosforu buzeném modrým světlem pro nové polovodičové osvětlení. Může být použit k výrobě terbiových hliníkových magnetooptických krystalových luminoforů pomocí diod emitujících modré světlo jako zdrojů excitačního světla a generovaná fluorescence se smísí s excitačním světlem za vzniku čistého bílého světla.
Mezi elektroluminiscenční materiály vyrobené z terbia patří především sulfid zinečnatý zelený fosfor s terbiem jako aktivátorem. Organické komplexy terbia mohou pod ultrafialovým zářením emitovat silnou zelenou fluorescenci a lze je použít jako tenkovrstvé elektroluminiscenční materiály. Přestože byl učiněn významný pokrok ve studiu organických komplexních elektroluminiscenčních tenkých filmů vzácných zemin, stále existuje určitá mezera v praktičnosti a výzkum organických komplexních elektroluminiscenčních tenkých filmů a zařízení vzácných zemin je stále v hloubce.
Fluorescenční charakteristiky terbia se také používají jako fluorescenční sondy. Například fluorescenční sonda Ofloxacin terbium (Tb3+) byla použita ke studiu interakce mezi komplexem Ofloxacin terbium (Tb3+) a DNA (DNA) fluorescenčním spektrem a absorpčním spektrem, což naznačuje, že sonda Ofloxacin Tb3+ může tvořit žlábek vázající se na molekuly DNA, a DNA mohou významně zvýšit fluorescenci systému Ofloxacin Tb3+. Na základě této změny lze určit DNA.
Pro magnetooptické materiály
Materiály s Faradayovým efektem, známé také jako magnetooptické materiály, jsou široce používány v laserech a dalších optických zařízeních. Existují dva běžné typy magnetooptických materiálů: magnetooptické krystaly a magnetooptické sklo. Mezi nimi magnetooptické krystaly (jako je yttrium-železný granát a terbium-galliový granát) mají výhody nastavitelné pracovní frekvence a vysoké tepelné stability, ale jsou drahé a obtížně vyrobitelné. Navíc mnoho magneto-optických krystalů s vysokým Faradayovým úhlem rotace má vysokou absorpci v oblasti krátkých vln, což omezuje jejich použití. Ve srovnání s magnetooptickými krystaly má magnetooptické sklo výhodu vysoké propustnosti a lze jej snadno vyrobit do velkých bloků nebo vláken. V současnosti jsou magnetooptická skla s vysokým Faradayovým efektem především skla dopovaná ionty vzácných zemin.
Používá se pro magnetooptické úložné materiály
V posledních letech s rychlým rozvojem multimédií a automatizace kanceláří roste poptávka po nových vysokokapacitních magnetických discích. K výrobě vysoce výkonných magneto-optických disků byly použity filmy ze slitiny přechodného kovu z amorfního kovu. Mezi nimi má nejlepší výkon tenký film slitiny TbFeCo. Magnetooptické materiály na bázi terbia byly vyráběny ve velkém měřítku a magnetooptické disky z nich vyrobené se používají jako komponenty počítačové paměti, s úložnou kapacitou zvýšenou 10-15krát. Mají výhodu velké kapacity a rychlé přístupové rychlosti a při použití pro optické disky s vysokou hustotou je lze otírat a potahovat desetitisíckrát. Jsou důležitými materiály v technologii elektronického ukládání informací. Nejčastěji používaným magnetooptickým materiálem ve viditelném a blízkém infračerveném pásmu je monokrystal Terbium Gallium Garnet (TGG), což je nejlepší magnetooptický materiál pro výrobu Faradayových rotátorů a izolátorů.
Pro magnetooptické sklo
Magnetooptické sklo Faraday má dobrou průhlednost a izotropii ve viditelné a infračervené oblasti a může vytvářet různé složité tvary. Je snadné vyrábět výrobky velkých rozměrů a lze je vtáhnout do optických vláken. Proto má široké uplatnění v magnetooptických zařízeních, jako jsou magnetooptické izolátory, magnetooptické modulátory a proudové senzory z optických vláken. Díky svému velkému magnetickému momentu a malému absorpčnímu koeficientu ve viditelné a infračervené oblasti se ionty Tb3+ staly běžně používanými ionty vzácných zemin v magnetooptických brýlích.
Feromagnetostrikční slitina Terbium dysprosium
Na konci 20. století, s prohlubováním světové vědecké a technologické revoluce, se rychle objevují nové aplikované materiály vzácných zemin. V roce 1984, Iowa State University of United States, Ames Laboratory Ministerstva energetiky Spojených států amerických a US Navy Surface Weapons Research Center (hlavní zaměstnanci později založené American Edge Technology Company (ET REMA) pocházeli z centrum) společně vyvinuli nový materiál vzácné zeminy Smart, jmenovitě terbium dysprosium železo obří magnetostrikční materiál. Tento nový Smart materiál má vynikající vlastnosti rychlé přeměny elektrické energie na mechanickou energii. Podvodní a elektroakustické měniče vyrobené z tohoto obřího magnetostrikčního materiálu byly úspěšně konfigurovány v námořních zařízeních, reproduktorech pro detekci ropných vrtů, systémech kontroly hluku a vibrací a v systémech pro průzkum oceánů a podzemních komunikačních systémech. Proto, jakmile se zrodil magnetostriktivní materiál terbium dysprosium železný gigant, získal širokou pozornost průmyslových zemí po celém světě. Společnost Edge Technologies ve Spojených státech začala vyrábět obří magnetostrikční materiály terbium dysprosium a železo v roce 1989 a pojmenovala je Terfenol D. Následně Švédsko, Japonsko, Rusko, Spojené království a Austrálie také vyvinuly obří magnetostrikční materiály terbium dysprosium a železo.
Z historie vývoje tohoto materiálu ve Spojených státech, jak vynález materiálu, tak jeho rané monopolní aplikace přímo souvisí s vojenským průmyslem (jako je námořnictvo). Ačkoli čínské vojenské a obranné oddělení postupně posilují porozumění tomuto materiálu. Poté, co se čínská Komplexní národní moc výrazně zvýšila, však budou požadavky na realizaci vojenské konkurenční strategie v 21. století a zlepšení úrovně vybavení jistě velmi naléhavé. Rozšířené použití magnetostrikčních magnetostrikčních materiálů terbium dysprosium a železa ze strany armády a národní obrany bude proto historickou nutností.
Zkrátka mnoho vynikajících vlastností terbia z něj činí nepostradatelný člen mnoha funkčních materiálů a nezastupitelné místo v některých aplikačních oblastech. Kvůli vysoké ceně terbia však lidé studovali, jak se vyhnout a minimalizovat používání terbia, aby se snížily výrobní náklady. Například magnetooptické materiály vzácných zemin by také měly co nejvíce využívat levné dysprosium železo kobalt nebo gadolinium terbium kobalt; Pokuste se snížit obsah terbia v zeleném fluorescenčním prášku, který je nutné použít. Cena se stala důležitým faktorem omezujícím rozšířené používání terbia. Mnoho funkčních materiálů se bez něj ale neobejde, a tak se musíme držet zásady „použít dobrou ocel na čepel“ a snažit se používáním terbia co nejvíce ušetřit.
Čas odeslání: Červenec-05-2023