Тербийотносится к категории тяжелыхредкоземельные элементы, с низким содержанием в земной коре - всего 1,1 частей на миллион. Оксид тербия составляет менее 0,01% от общего количества редкоземельных элементов. Даже в тяжелой редкоземельной руде с высоким содержанием ионов иттрия и самым высоким содержанием тербия содержание тербия составляет лишь 1,1-1,2% от общего количества редкоземельных элементов, что указывает на принадлежность ее к «благородной» категории редкоземельных элементов. На протяжении более 100 лет с момента открытия тербия в 1843 году его дефицит и ценность долгое время препятствовали его практическому применению. Лишь за последние 30 лет тербий продемонстрировал свой уникальный талант.
Открывая историю
Шведский химик Карл Густав Мосандер открыл тербий в 1843 году. Он обнаружил его примеси вОксид иттрия(III)иY2O3. Иттрий назван в честь деревни Иттерби в Швеции. До появления ионообменной технологии тербий в чистом виде не выделялся.
Мосант первым разделил оксид иттрия(III) на три части, названные в честь руд: оксид иттрия(III),Оксид эрбия(III)и оксид тербия. Оксид тербия первоначально состоял из розовой части, благодаря элементу, ныне известному как эрбий. «Оксид эрбия(III)» (включая то, что мы теперь называем тербием) изначально был практически бесцветной частью раствора. Нерастворимый оксид этого элемента считается коричневым.
Более поздние исследователи с трудом могли наблюдать крошечный бесцветный «оксид эрбия (III), но растворимую розовую часть нельзя было игнорировать. Споры о существовании оксида эрбия(III) возникали неоднократно. В этом хаосе исходное название было перевернуто, а обмен именами застрял, поэтому розовая часть в конечном итоге была упомянута как раствор, содержащий эрбий (в растворе она была розовой). В настоящее время считается, что рабочие, использующие бисульфат натрия или сульфат калия, принимаютОксид церия(IV)из оксида иттрия(III) и непреднамеренно превращают тербий в осадок, содержащий церий. Всего около 1% исходного оксида иттрия (III), теперь известного как «тербий», достаточно, чтобы придать желтоватый цвет оксиду иттрия (III). Таким образом, тербий является вторичным компонентом, изначально содержавшим его, и контролируется своими непосредственными соседями — гадолинием и диспрозием.
В дальнейшем всякий раз, когда из этой смеси выделялись другие редкоземельные элементы, независимо от доли оксида, название тербия сохранялось до тех пор, пока, наконец, не был получен коричневый оксид тербия в чистом виде. Исследователи XIX века не использовали технологию ультрафиолетовой флуоресценции для наблюдения ярко-желтых или зеленых конкреций (III), что облегчало распознавание тербия в твердых смесях или растворах.
Электронная конфигурация
Электронная конфигурация:
1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 4с2 3д10 4п6 5с2 4д10 5п6 6с2 4f9
Электронная конфигурация тербия — [Xe] 6s24f9. Обычно только три электрона могут быть удалены до того, как заряд ядра станет слишком большим для дальнейшей ионизации, но в случае тербия полузаполненный тербий позволяет дополнительно ионизировать четвертый электрон в присутствии очень сильных окислителей, таких как газообразный фтор.
Тербий — серебристо-белый редкоземельный металл, обладающий пластичностью, прочностью и мягкостью, который можно разрезать ножом. Температура плавления 1360 ℃, температура кипения 3123 ℃, плотность 8229 4кг/м3. По сравнению с ранними лантанидами он относительно стабилен на воздухе. Тербий, девятый элемент лантаноидов, представляет собой металл с сильным электричеством. Он реагирует с водой с образованием водорода.
В природе тербий никогда не был обнаружен в качестве свободного элемента, небольшое количество которого существует в фосфоцерий-ториевом песке и гадолините. Тербий сосуществует с другими редкоземельными элементами в монацитовом песке, обычно с содержанием тербия 0,03%. Другими источниками являются ксенотим и черные редкие золотые руды, которые представляют собой смеси оксидов и содержат до 1% тербия.
Приложение
Применение тербия преимущественно затрагивает высокотехнологичные области, представляющие собой высокотехнологичные и наукоемкие передовые проекты, а также проекты, дающие значительную экономическую выгоду и привлекательные перспективы развития.
К основным областям применения относятся:
(1) Используется в виде смеси редкоземельных элементов. Например, он используется в качестве редкоземельного удобрения и кормовой добавки в сельском хозяйстве.
(2) Активатор зеленого порошка в трех первичных флуоресцентных порошках. Современные оптоэлектронные материалы требуют использования трех основных цветов люминофоров: красного, зеленого и синего, которые можно использовать для синтеза различных цветов. А тербий является незаменимым компонентом многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошков.
(3) Используется в качестве магнитооптического накопителя. Тонкие пленки из сплава переходного металла аморфного металла тербия использовались для изготовления высокопроизводительных магнитооптических дисков.
(4) Производство магнитооптического стекла. Вращающееся стекло Фарадея, содержащее тербий, является ключевым материалом для изготовления ротаторов, изоляторов и циркуляторов в лазерных технологиях.
(5) Разработка и разработка ферромагнитострикционного сплава тербия и диспрозия (Терфенол) открыли новые возможности применения тербия.
Для сельского хозяйства и животноводства
Редкоземельный тербий может улучшить качество сельскохозяйственных культур и увеличить скорость фотосинтеза в определенном диапазоне концентраций. Тербиевые комплексы обладают высокой биологической активностью. Тройные комплексы тербия Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O обладают хорошим антибактериальным и бактерицидным действием на золотистый стафилококк, Bacillus subtilis и кишечную палочку. Они обладают широким антибактериальным спектром. Исследование таких комплексов открывает новое направление исследований современных бактерицидных препаратов.
Используется в области люминесценции.
Современные оптоэлектронные материалы требуют использования трех основных цветов люминофоров: красного, зеленого и синего, которые можно использовать для синтеза различных цветов. А тербий является незаменимым компонентом многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошков. Если рождение редкоземельного флуоресцентного порошка ТВ-красного цвета стимулировало спрос на иттрий и европий, то применению и разработке тербия способствовало появление редкоземельного флуоресцентного порошка зеленого цвета трех основных цветов для ламп. В начале 1980-х годов компания Philips изобрела первую в мире компактную энергосберегающую люминесцентную лампу и быстро продвинула ее по всему миру. Ионы Tb3+ могут излучать зеленый свет с длиной волны 545 нм, и почти все редкоземельные зеленые люминофоры используют тербий в качестве активатора.
Зеленый люминофор для цветных телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) всегда был основан на сульфиде цинка, который дешев и эффективен, но в качестве зеленого люминофора для проекционных цветных телевизоров всегда использовался порошок тербия, включая Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ и LaOBr ∶ Tb3+. С развитием телевидения высокой четкости с большим экраном (HDTV) также разрабатываются высокоэффективные зеленые флуоресцентные порошки для ЭЛТ. Например, за рубежом разработан гибридный зеленый флуоресцентный порошок, состоящий из Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ и Y2SiO5:Tb3+, обладающий превосходной эффективностью люминесценции при высокой плотности тока.
Традиционный рентгенофлуоресцентный порошок представляет собой вольфрамат кальция. В 1970-х и 1980-х годах были разработаны редкоземельные люминофоры для усиливающих экранов, такие как активированная тербием сера, оксид лантана, активированный тербием бром, оксид лантана (для зеленых экранов), активированная тербием сера, оксид иттрия (III) и т. Д. По сравнению с вольфраматом кальция, Флуоресцентный порошок редкоземельных металлов может сократить время рентгеновского облучения пациентов на 80%, улучшить разрешение Рентгеновские пленки продлевают срок службы рентгеновских трубок и снижают потребление энергии. Тербий также используется в качестве флуоресцентного порошкового активатора для медицинских экранов, улучшающих рентгеновское излучение, что может значительно повысить чувствительность преобразования рентгеновских лучей в оптические изображения, улучшить четкость рентгеновских пленок и значительно снизить экспозиционную дозу рентгеновских лучей. лучей на организм человека (более чем на 50%).
Тербий также используется в качестве активатора в белом светодиодном люминофоре, возбуждаемом синим светом для нового полупроводникового освещения. Его можно использовать для производства тербий-алюминиевых магнитооптических кристаллолюминофоров с использованием синих светодиодов в качестве источников возбуждающего света, а генерируемая флуоресценция смешивается со светом возбуждения для получения чистого белого света.
Электролюминесцентные материалы на основе тербия в основном включают сульфид цинка зеленый люминофор с тербием в качестве активатора. Под ультрафиолетовым облучением органические комплексы тербия могут излучать сильную зеленую флуоресценцию и могут использоваться в качестве тонкопленочных электролюминесцентных материалов. Хотя в исследовании тонких электролюминесцентных пленок из редкоземельных органических комплексов был достигнут значительный прогресс, все еще существует определенный разрыв с практической точки зрения, а исследования тонких электролюминесцентных пленок и устройств из редкоземельных органических комплексов все еще продолжаются.
Характеристики флуоресценции тербия также используются в качестве зондов флуоресценции. Например, флуоресцентный зонд офлоксацина тербия (Tb3+) использовался для изучения взаимодействия между комплексом офлоксацина тербия (Tb3+) и ДНК (ДНК) по спектру флуоресценции и спектру поглощения, что указывает на то, что зонд офлоксацина Tb3+ может образовывать бороздку, связывающуюся с молекулами ДНК, и ДНК могут значительно усиливать флуоресценцию системы офлоксацина Tb3+. На основе этого изменения можно определить ДНК.
Для магнитооптических материалов
Материалы с эффектом Фарадея, также известные как магнитооптические материалы, широко используются в лазерах и других оптических устройствах. Существует два распространенных типа магнитооптических материалов: магнитооптические кристаллы и магнитооптическое стекло. Среди них магнитооптические кристаллы (такие как иттрий-железный гранат и тербий-галлиевый гранат) обладают преимуществами регулируемой рабочей частоты и высокой термической стабильности, но они дороги и сложны в производстве. Кроме того, многие магнитооптические кристаллы с большим углом фарадеевского вращения обладают высоким поглощением в коротковолновом диапазоне, что ограничивает их применение. По сравнению с магнитооптическими кристаллами магнитооптическое стекло обладает преимуществом высокого коэффициента пропускания и из него легко изготавливать большие блоки или волокна. В настоящее время магнитооптические стекла с высоким эффектом Фарадея представляют собой в основном стекла, легированные редкоземельными ионами.
Используется для магнитооптических накопительных материалов.
В последние годы с бурным развитием мультимедиа и офисной автоматизации растет спрос на новые магнитные диски большой емкости. Пленки из сплава переходного металла аморфного металла тербия использовались для изготовления высокоэффективных магнитооптических дисков. Среди них тонкая пленка из сплава TbFeCo имеет лучшие характеристики. Магнитооптические материалы на основе тербия производятся в больших масштабах, а изготовленные из них магнитооптические диски используются в качестве компонентов компьютерной памяти, емкость которой увеличивается в 10-15 раз. Они обладают такими преимуществами, как большая емкость и высокая скорость доступа, а при использовании для оптических дисков высокой плотности их можно стирать и наносить покрытие десятки тысяч раз. Они являются важными материалами в технологии электронного хранения информации. Наиболее часто используемым магнитооптическим материалом в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах является монокристалл тербий-галлиевого граната (TGG), который является лучшим магнитооптическим материалом для изготовления ротаторов и изоляторов Фарадея.
Для магнитооптического стекла
Фарадеевское магнитооптическое стекло обладает хорошей прозрачностью и изотропностью в видимом и инфракрасном диапазонах, а также может образовывать различные сложные формы. Из него легко производить крупногабаритные изделия, его можно протягивать в оптические волокна. Поэтому он имеет широкие перспективы применения в магнитооптических устройствах, таких как магнитооптические изоляторы, магнитооптические модуляторы и волоконно-оптические датчики тока. Благодаря большому магнитному моменту и малому коэффициенту поглощения в видимом и инфракрасном диапазоне ионы Tb3+ стали широко использоваться в качестве редкоземельных ионов в магнитооптических стеклах.
Ферромагнитострикционный сплав тербия-диспрозия
В конце 20 века, с углублением мировой научно-технической революции, быстро появляются новые редкоземельные прикладные материалы. В 1984 году в Университете штата Айова США, Лаборатории Эймса Министерства энергетики США и Исследовательском центре надводного вооружения ВМС США (основной персонал созданной позднее компании American Edge Technology Company (ET REMA) прибыл из центр) совместно разработали новый редкоземельный смарт-материал, а именно магнитострикционный материал железного гиганта тербия диспрозия. Этот новый смарт-материал обладает превосходными характеристиками быстрого преобразования электрической энергии в механическую. Подводные и электроакустические преобразователи, изготовленные из этого гигантского магнитострикционного материала, успешно используются в военно-морском оборудовании, громкоговорителях обнаружения нефтяных скважин, системах контроля шума и вибрации, а также в системах исследования океана и подземных системах связи. Поэтому, как только на свет появился магнитострикционный материал железного гиганта тербия-диспрозия, он получил широкое внимание со стороны промышленно развитых стран мира. Компания Edge Technologies в США начала производить магнитострикционные материалы из железного гиганта тербия и диспрозия в 1989 году и назвала их Терфенол Д. Впоследствии Швеция, Япония, Россия, Великобритания и Австралия также разработали магнитострикционные материалы из железа и гиганта из тербия и диспрозия.
Судя по истории развития этого материала в Соединенных Штатах, как изобретение материала, так и его раннее монопольное применение напрямую связаны с военной промышленностью (например, военно-морским флотом). Хотя военное и оборонное ведомство Китая постепенно углубляют понимание этого материала. Однако после того, как комплексная национальная мощь Китая значительно возросла, требования по реализации военной конкурентной стратегии в 21 веке и повышению уровня оснащения, безусловно, станут очень актуальными. Таким образом, широкое использование магнитострикционных материалов железного гиганта тербия-диспрозия военными и национальными оборонными ведомствами станет исторической необходимостью.
Короче говоря, множество превосходных свойств тербия делают его незаменимым компонентом многих функциональных материалов и незаменимым в некоторых областях применения. Однако из-за высокой цены на тербий люди изучают, как избежать и свести к минимуму использование тербия, чтобы снизить производственные затраты. Например, в редкоземельных магнитооптических материалах также следует в максимально возможной степени использовать недорогой диспрозий-железо-кобальт или гадолиний-тербий-кобальт; Постарайтесь снизить содержание тербия в зеленом флуоресцентном порошке, который необходимо использовать. Цена стала важным фактором, ограничивающим широкое использование тербия. Но без него не могут обойтись многие функциональные материалы, поэтому приходится придерживаться принципа «использовать на клинке хорошую сталь» и стараться максимально экономить на использовании тербия.
Время публикации: 05 июля 2023 г.