ТербийОтносится к категории тяжёлых редкоземельных элементов, содержание которых в земной коре невелико — всего 1,1 ppm.Оксид тербиясоставляет менее 0,01% от общего количества редкоземельных элементов. Даже в руде с высоким содержанием ионов иттрия и самым высоким содержанием тербия содержание тербия составляет всего 1,1-1,2% от общего количестваредкоземельный, что указывает на его принадлежность к «благородной» категорииредкоземельныйэлементы. Более 100 лет с момента открытия тербия в 1843 году, его дефицит и ценность долгое время препятствовали его практическому применению. Только за последние 30 леттербийпроявил свой уникальный талант.
Открывая историю
Шведский химик Карл Густав Мосандер открыл тербий в 1843 году. Он обнаружил его примеси воксид иттрияиY2O3. Иттрийназван в честь деревни Итбю в Швеции. До появления технологии ионного обмена тербий не был выделен в чистом виде.
Моссандер сначала разделилоксид иттрияна три части, все названы в честь руд:оксид иттрия, оксид эрбия, иоксид тербия. Оксид тербияПервоначально состоял из розовой части, из-за элемента, который теперь известен какэрбий. Оксид эрбия(включая то, что мы сейчас называем тербием) изначально был бесцветной частью в растворе. Нерастворимый оксид этого элемента считается коричневым.
Позднее исследователи обнаружили, что трудно наблюдать крошечные бесцветные «оксид эрбия", но растворимую розовую часть нельзя игнорировать. Спор о существованииоксид эрбиянеоднократно всплывало. В хаосе первоначальное название было перевернуто, и обмен именами закрепился, поэтому розовая часть в конечном итоге упоминалась как раствор, содержащий эрбий (в растворе он был розовым). Сейчас считается, что рабочие, которые используют дисульфид натрия или сульфат калия для удаления диоксида церия изоксид иттриянепреднамеренно повернутьтербийв церийсодержащие осадки. В настоящее время известны кактербий', всего около 1% от оригиналаоксид иттрияприсутствует, но этого достаточно, чтобы передать светло-желтый цветоксид иттрия. Поэтому,тербийявляется вторичным компонентом, который изначально содержал его, и он контролируется его непосредственными соседями,гадолинийидиспрозий.
После этого, всякий раз, когда другиередкоземельныйЭлементы были выделены из этой смеси, независимо от пропорции оксида, название тербий сохранялось до тех пор, пока, наконец, коричневый оксидтербийбыл 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
Электронный макет:
1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 4с2 3д10 4п6 5с2 4д10 5п6 6с2 4f9
Электронное расположениетербий[Xe] 6s24f9. Обычно только три электрона могут быть удалены до того, как ядерный заряд станет слишком большим для дальнейшей ионизации. Однако в случаетербий, полузаполненныйтербийдопускает дальнейшую ионизацию четвертого электрона в присутствии очень сильного окислителя, такого как газообразный фтор.
Металл
Тербийсеребристо-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. Девятый элемент лантаноидов, тербий, является сильно заряженным металлом, который реагирует с водой с образованием газообразного водорода.
В природе,тербийникогда не был обнаружен в виде свободного элемента, присутствующего в небольших количествах в фосфорно-цериево-ториевом песке и кремниево-бериллиевой иттриевой руде.Тербийсосуществует с другими редкоземельными элементами в монацитовом песке, с общим содержанием тербия 0,03%. Другие источники включают фосфат иттрия и редкоземельное золото, оба из которых являются смесями оксидов, содержащих до 1% тербия.
Приложение
ПрименениетербийВ основном это высокотехнологичные сферы, 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. Итербийявляется незаменимым компонентом многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошков.
(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
Редкоземельные элементытербийможет улучшить качество урожая и увеличить скорость фотосинтеза в определенном диапазоне концентраций. Комплексы тербия обладают высокой биологической активностью, а тройные комплексытербий, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, обладают хорошим антибактериальным и бактерицидным действием на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli, обладая широким спектром антибактериальных свойств. Изучение этих комплексов открывает новое направление исследований 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. И тербий является незаменимым компонентом во многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошках. Если рождение редкоземельного цветного красного флуоресцентного порошка для телевизоров стимулировало спрос наиттрийиевропий, то применение и развитие тербия были продвинуты редкоземельным трехцветным зеленым флуоресцентным порошком для ламп. В начале 1980-х годов Philips изобрел первую в мире компактную энергосберегающую флуоресцентную лампу и быстро продвинул ее по всему миру. Ионы Tb3+ могут излучать зеленый свет с длиной волны 545 нм, и почти все редкоземельные зеленые флуоресцентные порошки используюттербий, как активатор.
Зеленый флуоресцентный порошок, используемый для цветных телевизионных электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), всегда был в основном основан на дешевом и эффективном сульфиде цинка, но порошок тербия всегда использовался в качестве проекционного цветного телевизионного зеленого порошка, такого как 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.
Традиционный рентгенофлуоресцентный порошок — это вольфрамат кальция. В 1970-х и 1980-х годах были разработаны редкоземельные флуоресцентные порошки для сенсибилизационных экранов, такие кактербий,активированный оксид сульфида лантана, активированный тербием оксид бромида лантана (для зеленых экранов) и активированный тербием оксид сульфида иттрия. 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 улучшения 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%).
Тербийтакже используется в качестве активатора в белом светодиодном фосфоре, возбуждаемом синим светом для нового полупроводникового освещения. Он может быть использован 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, изготовленные из тербия, в основном включают в себя зеленый флуоресцентный порошок сульфида цинка стербийв качестве активатора. Под действием ультрафиолетового излучения органические комплексы тербия могут излучать сильную зеленую флуоресценцию и могут использоваться в качестве тонкопленочных электролюминесцентных материалов. Хотя значительный прогресс был достигнут в изученииредкоземельныйорганические сложные электролюминесцентные тонкие пленки все еще далеки от практического применения, и исследования редкоземельных органических сложных электролюминесцентных тонких пленок и устройств все еще находятся на стадии углубленного изучения.
Флуоресцентные характеристики тербия также используются в качестве флуоресцентных зондов. Взаимодействие между комплексом офлоксацина тербия (Tb3+) и дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) изучалось с использованием спектров флуоресценции и поглощения, таких как флуоресцентный зонд офлоксацина тербия (Tb3+). Результаты показали, что зонд офлоксацина Tb3+ может образовывать бороздку, связывающуюся с молекулами ДНК, а дезоксирибонуклеиновая кислота может значительно усиливать флуоресценцию системы офлоксацина Tb3+. На основании этого изменения можно определить дезоксирибонуклеиновую кислоту.
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 высокими углами 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 большие блоки или волокна. 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. Тонкие пленки сплава аморфного металла тербия и переходного металла 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 компьютерных запоминающих устройств, 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 непрерывным углублением мировой технологической революции, быстро появлялись новые материалы для применения редкоземельных элементов. В 1984 году Университет штата Айова, Лаборатория Эймса Министерства энергетики США и Исследовательский центр надводного оружия ВМС США (из которого вышел основной персонал позже созданной Edge Technology Corporation (ET REMA)) объединились для разработки нового редкоземельного интеллектуального материала, а именно тербий-диспрозиевого ферромагнитного магнитострикционного материала. 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 тербий-диспрозиевый железный гигантский магнитострикционный материал, 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 раннее монопольное применение напрямую связаны с военной промышленностью (например, военно-морским флотом). Хотя военные и оборонные ведомства Китая постепенно укрепляют свое понимание этого материала. Однако, с существенным усилением всеобъемлющей национальной мощи Китая, потребность в достижении военной конкурентоспособной стратегии 21-го века и улучшении уровней оснащения, безусловно, будет очень срочной. Поэтому широкое использование гигантских магнитострикционных материалов тербий-диспрозиевого железа военными и национальными оборонными ведомствами будет исторической необходимостью.
Короче говоря, многие превосходные свойстватербийделают его незаменимым членом многих функциональных материалов и незаменимой позицией 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 также должны использовать недорогиедиспрозиевое железокобальт или гадолиний тербий кобальт как можно больше; Постарайтесь уменьшить содержание тербия в зеленом флуоресцентном порошке, который должен использоваться. Цена стала важным фактором, ограничивающим широкое использованиетербий. Но многие функциональные материалы не могут обойтись без этого, поэтому приходится придерживаться принципа «использования хорошей стали на лезвии» и стараться экономить использованиетербийнасколько это возможно.
Время публикации: 25-окт-2023