Тербийотносится к категории тяжелых редкоземельных элементов с низким содержанием в земной коре - всего 1,1 ppm.Оксид тербияприходится менее 0,01% от общего количества редкоземельных элементов. Даже в тяжелых редкоземельных рудах с высоким содержанием ионов иттрия и самым высоким содержанием тербия содержание тербия составляет лишь 1,1-1,2% от общего количества.редкоземельные элементы, что указывает на принадлежность его к «дворянскому» разрядуредкоземельные элементыэлементы. На протяжении более 100 лет с момента открытия тербия в 1843 году его дефицит и ценность долгое время препятствовали его практическому применению. И только за последние 30 леттербийпродемонстрировал 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 Итби в Швеции. До появления ионообменной технологии тербий в чистом виде не выделялся.
Моссандер впервые разделилоксид иттрияна три части, все названы в честь руд:оксид иттрия, оксид эрбия, иоксид тербия. Оксид тербияизначально состоял из розовой части из-за элемента, теперь известного какэрбий. Оксид эрбия(включая то, что мы сейчас называем тербием) изначально представляло собой бесцветную часть раствора. Нерастворимый оксид этого элемента считается коричневым.
Позже работникам было трудно наблюдать крошечные бесцветные «оксид эрбия«, но нельзя игнорировать растворимую розовую часть. Споры о существованииоксид эрбиянеоднократно всплывал. 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). Сейчас считается, что рабочие, использующие дисульфид натрия или сульфат калия для удаления диоксида церия изоксид иттриянепреднамеренно повернутьтербийв церийсодержащие осадки. В настоящее время известен как 'тербий', всего около 1% от оригиналаоксид иттрияприсутствует, но этого достаточно, чтобы передать светло-желтую окраскуоксид иттрия. Поэтому,тербийявляется второстепенным компонентом, который изначально содержал его и контролируется своими непосредственными соседями,гадолинийидиспрозий.
Впоследствии, всякий раз, когда другиередкоземельные элементыиз этой смеси выделялись элементы, независимо от доли оксида, название тербия сохранялось до тех пор, пока, наконец, не появился коричневый оксидтербийбыл получен 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
Электронный макет:
1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 4с2 3д10 4п6 5с2 4д10 5п6 6с2 4f9
Электронное расположениетербийесть [Xe] 6s24f9. Обычно только три электрона могут быть удалены, прежде чем заряд ядра станет слишком большим для дальнейшей ионизации. Однако в случаетербий, полунаполненныйтербийдопускает дальнейшую ионизацию четвертого электрона в присутствии очень сильного окислителя, такого как газообразный фтор.
Металл
Тербийпредставляет собой 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 элементами-лантанидами он относительно стабилен на воздухе. Девятый элемент группы лантаноидов, тербий, представляет собой высокозаряженный металл, который реагирует с водой с образованием газообразного водорода.
В природе,тербийНикогда не было обнаружено, что это свободный элемент, присутствующий в небольших количествах в фосфористом церий-ториевом песке и кремниевой бериллий-иттриевой руде.Тербийсосуществует с другими редкоземельными элементами в монацитовом песке, обычно с содержанием тербия 0,03%. Другие источники включают фосфат иттрия и редкоземельное золото, оба из которых представляют собой смеси оксидов, содержащих до 1% тербия.
Приложение
Применениетербийв основном это высокотехнологичные отрасли, 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. Итербийявляется 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
Редкая землятербийможет 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 золотистый стафилококк, Bacillus subtilis и Escherichia coli, обладая антибактериальными свойствами широкого спектра действия. Изучение этих комплексов обеспечивает 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 цвета ТВ-красного флуоресцентного порошка стимулировало спрос наиттрийиевропий, затем применению и развитию тербия способствовали редкоземельные три основных цвета зеленого флуоресцентного порошка 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 флуоресцентные порошки используюттербий, в качестве активатора.
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 зеленого порошка для проекционного цветного телевидения, например 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 флуоресцентные порошки редкоземельных элементов для сенсибилизирующих экранов, такие кактербий, активированный оксид сульфида лантана, активированный тербием бромид лантана (для зеленых экранов) и активированный тербием оксид сульфида иттрия. По сравнению с вольфраматом кальция флуоресцентный порошок редкоземельных элементов позволяет сократить время рентгеновского облучения пациентов на 80%, улучшить разрешение рентгеновских пленок, продлить срок службы рентгеновских трубок и снизить энергопотребление. 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%).
Тербийтакже используется в качестве активатора белого светодиодного люминофора, возбуждаемого 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 с возбуждающим светом для получения чистого белого света.
Электролюминесцентные материалы, изготовленные из тербия, в основном включают зеленый флуоресцентный порошок сульфида цинка стербийв качестве активатора. Под ультрафиолетовым облучением органические комплексы тербия могут излучать сильную зеленую флуоресценцию и могут использоваться в качестве тонкопленочных электролюминесцентных материалов. Несмотря на значительный прогресс в изученииредкоземельные элементыэлектролюминесцентных тонких пленок из органических комплексов все еще существует определенный разрыв с практичностью, а исследования тонких электролюминесцентных пленок и устройств из редкоземельных органических комплексов все еще продолжаются.
Характеристики флуоресценции тербия также используются в качестве зондов флуоресценции. Взаимодействие комплекса офлоксацина тербия (Tb3+) с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) изучали с использованием спектров флуоресценции и поглощения, таких как зонд флуоресценции 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 большими углами 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. Тонкие пленки из сплава переходного металла аморфного металла тербия использовались для изготовления высокопроизводительных 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-го века, в условиях продолжающегося углубления 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 вооружения ВМС США (из которого вышел основной персонал созданной позднее Edge Technology Corporation (ET REMA)) совместно разработали новый редкий земной интеллектуальный материал, а именно ферромагнитный магнитострикционный материал тербия диспрозия. Этот новый интеллектуальный 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, учитывая значительное усиление всеобъемлющей национальной мощи Китая, потребность в разработке военной конкурентной стратегии XXI века и повышении уровня оснащения определенно станет очень актуальной. Таким образом, широкое использование магнитострикционных материалов железного гиганта тербия-диспрозия военными и национальными оборонными ведомствами станет исторической необходимостью.
Короче говоря, многие превосходные свойстватербийделают его незаменимым элементом многих функциональных материалов и незаменимым элементом 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, редкоземельные магнитооптические материалы также должны использовать недорогиедиспрозий железакобальт или гадолиний-тербий-кобальт как можно больше; Постарайтесь снизить содержание тербия в зеленом флуоресцентном порошке, который необходимо использовать. Цена стала важным фактором, ограничивающим широкое использованиетербий. Но без него не могут обойтись многие функциональные материалы, поэтому приходится придерживаться принципа «использовать на клинке хорошую сталь» и стараться экономить на использованиитербийкак можно больше.
Время публикации: 25 октября 2023 г.