Тербийотносится к категории тяжелыхредкоземельные элементы, с низкой распространенностью в земной коре - всего 1,1 ppm. Оксид тербия составляет менее 0,01% от общего количества редкоземельных элементов. Даже в тяжелой редкоземельной руде с высоким содержанием ионов иттрия с самым высоким содержанием тербия, содержание тербия составляет всего 1,1-1,2% от общего количества редкоземельных элементов, что указывает на его принадлежность 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. Только 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 Иттербю в Швеции. До появления технологии ионного обмена тербий не был выделен в чистом виде.
Мосант впервые разделил оксид иттрия (III) на три части, все из которых были названы в честь руд: оксид иттрия (III),Оксид эрбия(III), и оксид тербия. Оксид тербия изначально состоял из розовой части, из-за элемента, который теперь известен как эрбий. «Оксид эрбия (III)» (включая то, что мы теперь называем тербием) изначально был по существу бесцветной частью в растворе. Нерастворимый оксид этого элемента считается коричневым.
Более поздние рабочие едва ли могли наблюдать крошечный бесцветный «оксид эрбия (III)», но растворимую розовую часть нельзя было игнорировать. Споры о существовании оксида эрбия (III) возникали неоднократно. В хаосе первоначальное название было перевернуто, и обмен названиями закрепился, поэтому розовая часть в конечном итоге упоминалась как раствор, содержащий эрбий (в растворе он был розовым). Сейчас считается, что рабочие, которые используют бисульфат натрия или сульфат калия, принимаютОксид церия(IV)из оксида иттрия(III) и непреднамеренно превратить тербий в осадок, содержащий церий. Только около 1% исходного оксида иттрия(III), теперь известного как «тербий», достаточно, чтобы придать желтоватый цвет оксиду иттрия(III). Таким образом, тербий является вторичным компонентом, который изначально его содержал, и он контролируется его непосредственными соседями, гадолинием и диспрозием.
Впоследствии, всякий раз, когда из этой смеси выделялись другие редкоземельные элементы, независимо от доли оксида, название тербий сохранялось до тех пор, пока, наконец, коричневый оксид тербия не был получен в чистом виде. Исследователи в 19 веке не использовали технологию ультрафиолетовой флуоресценции для наблюдения ярко-желтых или зеленых узелков (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 четвертому электрону дополнительно ионизироваться в присутствии очень сильных окислителей, таких как газообразный фтор.
Тербий — серебристо-белый редкоземельный металл с пластичностью, прочностью и мягкостью, который можно резать ножом. Температура плавления 1360 ℃, температура кипения 3123 ℃, плотность 8229 4 кг/м3. По сравнению с ранними лантаноидами он относительно стабилен на воздухе. Как девятый элемент лантаноидов, тербий — металл с сильным электричеством. Он реагирует с водой, образуя водород.
В природе тербий никогда не был обнаружен как свободный элемент, небольшое количество которого существует в фосфоцериево-ториевом песке и гадолините. Тербий сосуществует с другими редкоземельными элементами в монацитовом песке, с общим содержанием тербия 0,03%. Другими источниками являются ксенотим и черные редкие золотые руды, обе из которых представляют собой смеси оксидов и содержат до 1% тербия.
Приложение
Применение тербия в основном затрагивает высокотехнологичные области, представляющие собой высокотехнологичные и наукоемкие передовые проекты, а также проекты со значительным экономическим эффектом, имеющие привлекательные перспективы развития.
Основные области применения включают в себя:
(1) Используется в виде смешанных редкоземельных элементов. Например, он используется как редкоземельное соединение удобрений и кормовая добавка для сельского хозяйства.
(2) Активатор для зеленого порошка в трех основных флуоресцентных порошках. Современные оптоэлектронные материалы требуют использования трех основных цветов люминофоров, а именно красного, зеленого и синего, которые могут быть использованы для синтеза различных цветов. А тербий является незаменимым компонентом во многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошках.
(3) Используется как магнитооптический материал для хранения информации. Тонкие пленки из аморфного сплава переходного металла тербия используются для производства высокопроизводительных магнитооптических дисков.
(4) Производство магнитооптического стекла. Фарадеевское вращающееся стекло, содержащее тербий, является ключевым материалом для изготовления ротаторов, изоляторов и циркуляторов в лазерной технике.
(5) Разработка и развитие ферромагнитострикционного сплава тербия-диспрозия (терфенола) открыли новые возможности применения тербия.
Для сельского хозяйства и животноводства
Редкоземельный элемент тербий может улучшать качество урожая и увеличивать скорость фотосинтеза в определенном диапазоне концентраций. Комплексы тербия обладают высокой биологической активностью. Тройные комплексы тербия, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3 · 3H2O, обладают хорошим антибактериальным и бактерицидным действием на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli. Они обладают широким антибактериальным спектром. Изучение таких комплексов дает новое направление исследований для современных бактерицидных препаратов.
Используется в области люминесценции
Современные оптоэлектронные материалы требуют использования трех основных цветов люминофоров, а именно красного, зеленого и синего, которые могут быть использованы для синтеза различных цветов. А тербий является незаменимым компонентом во многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошках. Если рождение редкоземельного цветного красного телевизионного флуоресцентного порошка стимулировало спрос на иттрий и европий, то применение и развитие тербия были продвинуты редкоземельным трехосновным зеленым флуоресцентным порошком для ламп. В начале 1980-х годов 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 фосфор для цветной телевизионной электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) всегда был на основе сульфида цинка, который является дешевым и эффективным, но порошок тербия всегда использовался в качестве зеленого фосфора для проекционного цветного телевизора, включая Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ и LaOBr ∶ Tb3+. С развитием телевидения высокой четкости с большим экраном (HDTV) также разрабатываются высокопроизводительные зеленые флуоресцентные порошки для ЭЛТ. Например, за рубежом был разработан гибридный зеленый флуоресцентный порошок, состоящий из Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ и Y2SiO5: Tb3+, которые имеют превосходную эффективность люминесценции при высокой плотности тока.
Традиционным порошком для рентгеновского флуоресцентного излучения является вольфрамат кальция. В 1970-х и 1980-х годах были разработаны редкоземельные фосфоры для усиливающих экранов, такие как активированный тербием оксид лантана серы, активированный тербием оксид лантана брома (для зеленых экранов), активированный тербием оксид иттрия (III) серы и т. д. По сравнению с вольфраматом кальция, редкоземельный флуоресцентный порошок может сократить время рентгеновского облучения пациентов на 80%, улучшить разрешение рентгеновских пленок, продлить срок службы рентгеновских трубок и снизить потребление энергии. Тербий также используется в качестве активатора флуоресцентного порошка для медицинских экранов для усиления рентгеновского излучения, что может значительно улучшить чувствительность преобразования рентгеновских лучей в оптические изображения, улучшить четкость рентгеновских пленок и значительно снизить дозу облучения рентгеновскими лучами организма человека (более чем на 50%).
Тербий также используется в качестве активатора в белом светодиодном фосфоре, возбуждаемом синим светом для нового полупроводникового освещения. Его можно использовать для производства тербий-алюминиевых магнитооптических кристаллических фосфоров, используя синие светодиоды в качестве источников возбуждающего света, а генерируемая флуоресценция смешивается с возбуждающим светом для получения чистого белого света.
Электролюминесцентные материалы из тербия в основном включают цинковый сульфид зеленого фосфора с тербием в качестве активатора. Под воздействием ультрафиолетового излучения органические комплексы тербия могут излучать сильную зеленую флуоресценцию и могут использоваться в качестве тонкопленочных электролюминесцентных материалов. Хотя в изучении редкоземельных органических сложных электролюминесцентных тонких пленок был достигнут значительный прогресс, все еще существует определенный разрыв с практической точки зрения, и исследования редкоземельных органических сложных электролюминесцентных тонких пленок и устройств все еще находятся в глубоком состоянии.
Флуоресцентные характеристики тербия также используются в качестве флуоресцентных зондов. 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 бороздчатую связь с молекулами ДНК, а ДНК может значительно усиливать флуоресценцию системы офлоксацина Tb3+. На основании 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 высоким углом вращения Фарадея имеют высокое поглощение в коротковолновом диапазоне, что ограничивает их применение. По сравнению с магнитооптическими кристаллами магнитооптическое стекло имеет преимущество высокой пропускаемости и легко изготавливается в виде больших блоков или волокон. В настоящее время магнитооптические стекла с высоким эффектом Фарадея в основном представляют собой стекла, легированные редкоземельными ионами.
Используется для магнитооптических запоминающих устройств
В последние годы, с быстрым развитием мультимедиа и автоматизации делопроизводства, спрос на новые магнитные диски большой емкости растет. Аморфные металлические пленки сплава переходного металла тербия используются для производства высокопроизводительных магнитооптических дисков. Среди них тонкая пленка сплава TbFeCo имеет наилучшие характеристики. Магнитооптические материалы на основе тербия производятся в больших масштабах, и магнитооптические диски, изготовленные из них, используются в качестве компонентов компьютерного хранения, причем емкость хранения увеличивается в 10-15 раз. Они обладают преимуществами большой емкости и высокой скорости доступа, и могут быть протерты и покрыты десятки тысяч раз при использовании для оптических дисков высокой плотности. 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 вращателей и изоляторов Фарадея.
Для магнитооптического стекла
Магнитооптическое стекло Фарадея обладает хорошей прозрачностью и изотропностью в видимом и инфракрасном диапазонах и может образовывать различные сложные формы. Из него легко изготавливать крупногабаритные изделия, и его можно вытягивать в оптические волокна. Поэтому оно 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 диапазонах ионы Tb3+ стали широко используемыми редкоземельными ионами в магнитооптических стеклах.
Ферромагнитострикционный сплав тербия-диспрозия
В конце 20-го века, с углублением мировой научно-технической революции, быстро появляются новые редкоземельные прикладные материалы. В 1984 году Университет штата Айова в США, Лаборатория Эймса Министерства энергетики США и Исследовательский центр надводного оружия ВМС США (основной персонал позднее созданной компании American Edge Technology Company (ET REMA) вышел из центра) совместно разработали новый редкоземельный интеллектуальный материал, а именно гигантский магнитострикционный материал тербий-диспрозий-железо. Этот новый интеллектуальный материал обладает превосходными характеристиками быстрого преобразования электрической энергии в механическую. Подводные и электроакустические преобразователи, изготовленные из этого гигантского магнитострикционного материала, были успешно сконфигурированы в военно-морском оборудовании, громкоговорителях обнаружения нефтяных скважин, системах контроля шума и вибрации, а также в системах разведки океана и подземных системах связи. Поэтому, как только появился гигантский магнитострикционный материал тербий-диспрозий-железо, он привлек широкое внимание промышленно развитых стран по всему миру. Компания Edge Technologies в США начала производство гигантских магнитострикционных материалов на основе тербия-диспрозия-железа в 1989 году и назвала их Терфенол D. Впоследствии Швеция, Япония, Россия, Великобритания и Австралия также разработали гигантские магнитострикционные материалы на основе тербия-диспрозия-железа.
Из истории развития этого материала в Соединенных Штатах, как изобретение материала, так и его ранние монопольные применения напрямую связаны с военной промышленностью (например, военно-морским флотом). Хотя военные и оборонные ведомства Китая постепенно укрепляют свое понимание этого материала. Однако после того, как Всеобъемлющая национальная мощь Китая значительно возросла, требования к реализации военной конкурентной стратегии в 21 веке и повышению уровня оснащения, безусловно, будут очень актуальными. Поэтому широкое использование гигантских магнитострикционных материалов на основе тербия-диспрозия-железа военными и национальными оборонными ведомствами станет исторической необходимостью.
Короче говоря, многочисленные превосходные свойства тербия делают его незаменимым членом многих функциональных материалов и незаменимым положением в некоторых областях применения. Однако из-за высокой цены тербия люди изучают, как избежать и минимизировать использование тербия, чтобы снизить производственные затраты. Например, редкоземельные магнитооптические материалы должны также использовать как можно больше недорогих диспрозиевого железа кобальта или гадолиния тербия кобальта; Постарайтесь уменьшить содержание тербия в зеленом флуоресцентном порошке, который необходимо использовать. Цена стала важным фактором, ограничивающим широкое использование тербия. Но многие функциональные материалы не могут обойтись без него, поэтому мы должны придерживаться принципа «использования хорошей стали на лезвии» и попытаться максимально сэкономить использование тербия.
Время публикации: 05-07-2023