Magický prvek vzácných zemin: Terbium

Terbiumpatří do kategorie těžkých vzácných zemin, s nízkým zastoupením v zemské kůře pouze 1,1 ppm.Oxid terbiumtvoří 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 množstvívzácných zemin, což naznačuje, že patří do „ušlechtilé“ kategorievzácných zeminprvky. Více než 100 let od objevu terbia v roce 1843 jeho nedostatek a hodnota na dlouhou dobu bránily jeho praktickému použití. Je tomu tak pouze v posledních 30 letechterbiumukázal svůj jedinečný talent.

Objevování historie

Švédský chemik Carl Gustaf Mosander objevil terbium v ​​roce 1843. Jeho nečistoty objevil v r.oxid yttriumaY2O3. Yttriumje pojmenována po vesnici Itby ve Švédsku. Před vznikem technologie iontové výměny nebylo terbium izolováno ve své čisté formě.

Mossander se nejprve rozděliloxid yttriumna tři části, všechny pojmenované po rudách:oxid yttrium, oxid erbiaaoxid terbium. Oxid terbiumbyl původně složen z růžové části, kvůli prvku nyní známému jakoerbium. Oxid erbia(včetně toho, co nyní nazýváme terbium) byla původně bezbarvá část v roztoku. Nerozpustný oxid tohoto prvku je považován za hnědý.

Pozdější dělníci zjistili, že je obtížné pozorovat drobné bezbarvé „oxid erbia“, ale rozpustnou růžovou část nelze ignorovat. Debata o existencioxid erbiase opakovaně objevilo. 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 disulfid sodný nebo síran draselný k odstranění oxidu ceričitéhooxid yttriumnechtěně otočitterbiumdo sraženin obsahujících cer. V současnosti známý jako'terbium“, pouze asi 1 % origináluoxid yttriumje přítomen, ale to stačí k přenosu světle žluté barvyoxid yttrium. Proto,terbiumje sekundární složkou, která ho původně obsahovala a je řízena jeho bezprostředními sousedy,gadoliniumadysprosium.

Poté, kdykoli jindyvzácných zeminz této směsi byly odděleny prvky bez ohledu na podíl oxidu, název terbium zůstal zachován až nakonec hnědý oxidterbiumbyl získán 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

Elektronické uspořádání:

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

Elektronické uspořádáníterbiumje [Xe] 6s24f9. Normálně mohou být odstraněny pouze tři elektrony, než se jaderný náboj stane příliš velkým, aby mohl být dále ionizován. Nicméně, v případěterbium, poloplnáterbiumumožňuje další ionizaci čtvrtého elektronu v přítomnosti velmi silného oxidačního činidla, jako je plynný fluor.

Kov

""

Terbiumje stříbrný bílý kov vzácných zemin s tažností, houževnatostí a měkkostí, který lze řezat nožem. Bod tání 1360 ℃, bod varu 3123 ℃, hustota 8229 4kg/m3. Ve srovnání s dřívějšími lanthanoidovými prvky je ve vzduchu relativně stabilní. Devátý prvek lanthanoidových prvků, terbium, je vysoce nabitý kov, který reaguje s vodou za vzniku plynného vodíku.

v přírodě,terbiumnikdy nebylo zjištěno, že je volným prvkem, přítomným v malých množstvích ve fosforečném cer thoriovém písku a křemíkové beryliové yttriové rudě.Terbiumkoexistuje s jinými prvky vzácných zemin v monazitovém písku s obecně 0,03% obsahem terbia. Mezi další zdroje patří fosforečnan yttrium a zlato vzácných zemin, přičemž oba jsou směsí oxidů obsahujících až 1 % terbia.

Aplikace

Aplikaceterbiumvětšinou jde o high-tech obory, 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. Aterbiumje nepostradatelnou součástí mnoha vysoce kvalitních zelených fluorescenčních prášků.

(3) Používá se jako magnetooptický úložný materiál. K výrobě vysoce výkonných magnetooptických 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

Vzácná zeminaterbiummůže zlepšit kvalitu plodin a zvýšit rychlost fotosyntézy v určitém koncentračním rozmezí. Komplexy terbia mají vysokou biologickou aktivitu a ternární komplexyterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, mají dobré antibakteriální a baktericidní účinky na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis a Escherichia coli se širokospektrálními antibakteriálními vlastnostmi. Studium těchto 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 barev vzácných zemin TV červený fluorescenční prášek podnítil poptávku poyttriumaeuropium, pak aplikace a vývoj terbium byly podporovány vzácných zemin tři primární barvy zelené fluorescenční prášek 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 s vlnovou délkou 545 nm a téměř všechny zelené fluorescenční prášky vzácných zemin používajíterbium, jako aktivátor.

Zelený fluorescenční prášek používaný pro barevné televizní katodové trubice (CRT) byl vždy založen hlavně na levném a účinném sulfidu zinečnatém, ale terbium prášek byl vždy používán jako projekční barevný TV zelený prášek, jako je Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5012: 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 fluorescenční prášky vzácných zemin pro senzibilizační obrazovky, jako např.terbium,aktivovaný oxid sulfidu lanthanitého, oxid bromidu lanthanitého aktivovaný terbiem (pro zelené obrazovky) a oxid yttrium sulfid aktivovaný terbiem. Ve srovnání s wolframanem vápenatým může fluorescenční prášek vzácných zemin zkrátit dobu rentgenového ozařování pacientů o 80 %, zlepšit rozlišení rentgenových filmů, prodloužit životnost rentgenových trubic a snížit 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 %).

Terbiumse také používá jako aktivátor v bílém LED fosforu buzeném modrým světlem pro nové polovodičové osvětlení. Může být použit k výrobě terbiových hliníkových magnetooptických krystalových fosforů s použitím 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 zelený fluorescenční prášek sulfidu zinečnatéhoterbiumjako aktivátor. Organické komplexy terbia mohou pod ultrafialovým zářením emitovat silnou zelenou fluorescenci a lze je použít jako tenkovrstvé elektroluminiscenční materiály. I když bylo dosaženo významného pokroku ve studiuvzácných zeminorganické komplexní elektroluminiscenční tenké vrstvy, 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. Interakce mezi komplexem ofloxacin terbium (Tb3+) a deoxyribonukleovou kyselinou (DNA) byla studována pomocí fluorescenčních a absorpčních spekter, jako je fluorescenční sonda ofloxacinu terbium (Tb3+). Výsledky ukázaly, že ofloxacinová sonda Tb3+ může tvořit žlábkovou vazbu s molekulami DNA a deoxyribonukleová kyselina může významně zvýšit fluorescenci systému ofloxacinu Tb3+. Na základě této změny lze stanovit kyselinu deoxyribonukleovou.

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 vysokými Faradayovými úhly 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 magnetooptických disků byly použity tenké filmy slitiny přechodného kovu 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 neustálým prohlubováním světové technologické revoluce se rychle objevovaly nové aplikační materiály vzácných zemin. V roce 1984 Iowa State University, Ames Laboratory amerického ministerstva energetiky a US Navy Surface Weapons Research Center (ze kterého pocházeli hlavní pracovníci později založené Edge Technology Corporation (ET REMA)) spolupracovali na vývoji nového vzácného zemský inteligentní materiál, jmenovitě feromagnetický magnetostrikční materiál terbium dysprosium. Tento nový inteligentní 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. S výrazným posílením komplexní národní síly Číny však bude požadavek na dosažení vojenské konkurenční strategie 21. století a zlepšení úrovně vybavení rozhodně velmi naléhavý. Rozšířené použití magnetostrikčních magnetostrikčních materiálů terbium dysprosium a železa ze strany armády a národní obrany bude proto historickou nutností.

Stručně řečeno, mnoho vynikajících vlastnostíterbiumčiní z něj 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 měly být také levnédysprosium železokobalt nebo gadolinium terbium kobalt co nejvíce; Pokuste se snížit obsah terbia v zeleném fluorescenčním prášku, který je nutné použít. Cena se stala důležitým faktorem omezujícím široké použitíterbium. Mnoho funkčních materiálů se bez něj ale neobejde, proto musíme dodržovat zásadu „použít dobrou ocel na čepel“ a snažit se ušetřitterbiumco nejvíce.

 


Čas odeslání: 25. října 2023