Terbithuộc về loại nặngđất hiếm, với hàm lượng thấp trong lớp vỏ Trái Đất chỉ ở mức 1,1 ppm. Terbi oxit chiếm chưa đến 0,01% tổng lượng đất hiếm. Ngay cả trong quặng đất hiếm nặng loại ion yttri cao có hàm lượng terbi cao nhất, hàm lượng terbi cũng chỉ chiếm 1,1-1,2% tổng lượng đất hiếm, cho thấy nó thuộc loại “quý tộc” của các nguyên tố đất hiếm. Trong hơn 100 năm kể từ khi phát hiện ra terbi vào năm 1843, tình trạng khan hiếm và giá trị của nó đã ngăn cản ứng dụng thực tế của nó trong một thời gian dài. Chỉ trong 30 năm trở lại đây, terbi mới thể hiện được tài năng độc đáo của mình.
Khám phá Lịch sử
Nhà hóa học người Thụy Điển Carl Gustaf Mosander đã phát hiện ra terbi vào năm 1843. Ông tìm thấy tạp chất của nó trongYtri(III) oxitVàY2O3. Yttrium được đặt theo tên của ngôi làng Ytterby ở Thụy Điển. Trước khi công nghệ trao đổi ion xuất hiện, terbi không được phân lập ở dạng tinh khiết.
Đầu tiên Mosant chia oxit Yttri(III) thành ba phần, tất cả đều được đặt tên theo quặng: oxit Yttri(III),Erbi(III) oxit, và terbi oxit. Terbi oxit ban đầu bao gồm một phần màu hồng, do nguyên tố hiện được gọi là erbi. “Erbium(III) oxit” (bao gồm cả những gì chúng ta gọi là terbi) ban đầu về cơ bản là phần không màu trong dung dịch. Oxit không hòa tan của nguyên tố này được coi là màu nâu.
Những công nhân sau này khó có thể quan sát được “Erbium(III) oxide” nhỏ không màu, nhưng phần màu hồng hòa tan thì không thể bỏ qua. Các cuộc tranh luận về sự tồn tại của Erbium(III) oxide đã nảy sinh nhiều lần. Trong sự hỗn loạn, tên gốc đã bị đảo ngược và việc trao đổi tên bị đình trệ, vì vậy phần màu hồng cuối cùng đã được đề cập đến như một dung dịch chứa erbium (trong dung dịch, nó có màu hồng). Bây giờ người ta tin rằng những công nhân sử dụng natri bisulfate hoặc kali sulfatXeri(IV) oxitra khỏi oxit Yttri(III) và vô tình biến terbi thành trầm tích chứa xeri. Chỉ khoảng 1% oxit Yttri(III) ban đầu, hiện được gọi là “terbi”, là đủ để chuyển màu vàng sang oxit Yttri(III). Do đó, terbi là thành phần thứ cấp ban đầu chứa nó và được kiểm soát bởi các thành phần lân cận trực tiếp của nó, gadolinium và dysprosi.
Sau đó, bất cứ khi nào các nguyên tố đất hiếm khác được tách ra khỏi hỗn hợp này, bất kể tỷ lệ oxit, tên của terbi vẫn được giữ nguyên cho đến khi cuối cùng, oxit nâu của terbi thu được ở dạng tinh khiết. Các nhà nghiên cứu vào thế kỷ 19 đã không sử dụng công nghệ huỳnh quang cực tím để quan sát các nốt sần màu vàng sáng hoặc xanh lục (III), giúp terbi dễ dàng được nhận biết hơn trong hỗn hợp hoặc dung dịch rắn.
Cấu hình electron
Cấu hình electron:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Cấu hình electron của terbi là [Xe] 6s24f9. Thông thường, chỉ có thể loại bỏ ba electron trước khi điện tích hạt nhân trở nên quá lớn để ion hóa thêm nữa, nhưng trong trường hợp của terbi, terbi bán lấp đầy cho phép electron thứ tư bị ion hóa thêm nữa khi có chất oxy hóa rất mạnh như khí flo.
Terbi là kim loại đất hiếm màu trắng bạc, có độ dẻo, độ dai và độ mềm, có thể cắt bằng dao. Điểm nóng chảy 1360 ℃, điểm sôi 3123 ℃, khối lượng riêng 8229 4kg/m3. So với Lanthanide ban đầu, nó tương đối ổn định trong không khí. Là nguyên tố thứ chín của Lanthanide, Terbi là kim loại có điện mạnh. Nó phản ứng với nước tạo thành hydro.
Trong tự nhiên, terbi chưa bao giờ được tìm thấy là một nguyên tố tự do, một lượng nhỏ trong số đó tồn tại trong cát phosphocerium thorium và Gadolinite. Terbi cùng tồn tại với các nguyên tố đất hiếm khác trong cát monazit, với hàm lượng terbi thường là 0,03%. Các nguồn khác là Xenotime và quặng vàng đen hiếm, cả hai đều là hỗn hợp oxit và chứa tới 1% terbi.
Ứng dụng
Ứng dụng của terbi chủ yếu liên quan đến các lĩnh vực công nghệ cao, là các dự án tiên tiến đòi hỏi nhiều công nghệ và kiến thức, cũng như các dự án mang lại lợi ích kinh tế đáng kể với triển vọng phát triển hấp dẫn.
Các lĩnh vực ứng dụng chính bao gồm:
(1) Được sử dụng dưới dạng đất hiếm hỗn hợp. Ví dụ, nó được sử dụng làm phân bón hợp chất đất hiếm và phụ gia thức ăn cho nông nghiệp.
(2) Chất hoạt hóa bột xanh trong ba loại bột huỳnh quang cơ bản. Vật liệu quang điện tử hiện đại đòi hỏi phải sử dụng ba màu cơ bản của chất phát quang, cụ thể là đỏ, xanh lá cây và xanh lam, có thể được sử dụng để tổng hợp nhiều màu sắc khác nhau. Và terbi là thành phần không thể thiếu trong nhiều loại bột huỳnh quang xanh chất lượng cao.
(3) Được sử dụng làm vật liệu lưu trữ quang từ. Các màng mỏng hợp kim kim loại chuyển tiếp terbi kim loại vô định hình đã được sử dụng để sản xuất đĩa quang từ hiệu suất cao.
(4) Sản xuất kính quang học từ. Kính quay Faraday chứa terbi là vật liệu chính để sản xuất bộ quay, bộ cách ly và bộ tuần hoàn trong công nghệ laser.
(5) Sự phát triển và hoàn thiện hợp kim ferromagnetostrictive terbi dysprosi (TerFenol) đã mở ra những ứng dụng mới cho terbi.
Đối với nông nghiệp và chăn nuôi
Đất hiếm terbi có thể cải thiện chất lượng cây trồng và tăng tốc độ quang hợp trong một phạm vi nồng độ nhất định. Các hợp chất terbi có hoạt tính sinh học cao. Các hợp chất ba thành phần của terbi, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, có tác dụng kháng khuẩn và diệt khuẩn tốt đối với Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis và Escherichia coli. Chúng có phổ kháng khuẩn rộng. Nghiên cứu về các hợp chất như vậy cung cấp một hướng nghiên cứu mới cho các loại thuốc diệt khuẩn hiện đại.
Được sử dụng trong lĩnh vực phát quang
Vật liệu quang điện tử hiện đại đòi hỏi phải sử dụng ba màu cơ bản của phốt pho, cụ thể là đỏ, xanh lá cây và xanh lam, có thể được sử dụng để tổng hợp nhiều màu sắc khác nhau. Và terbi là thành phần không thể thiếu trong nhiều loại bột huỳnh quang xanh chất lượng cao. Nếu sự ra đời của bột huỳnh quang đỏ TV màu đất hiếm đã kích thích nhu cầu về yttri và europi, thì ứng dụng và sự phát triển của terbi đã được thúc đẩy bởi bột huỳnh quang xanh ba màu cơ bản đất hiếm cho đèn. Vào đầu những năm 1980, Philips đã phát minh ra đèn huỳnh quang tiết kiệm năng lượng nhỏ gọn đầu tiên trên thế giới và nhanh chóng quảng bá nó trên toàn cầu. Các ion Tb3+ có thể phát ra ánh sáng xanh có bước sóng 545nm và hầu hết tất cả các loại phốt pho xanh đất hiếm đều sử dụng terbi làm chất hoạt hóa.
Chất phát quang xanh cho ống tia âm cực TV màu (CRT) luôn dựa trên Kẽm sunfua, rẻ và hiệu quả, nhưng bột terbi luôn được sử dụng làm chất phát quang xanh cho TV màu chiếu, bao gồm Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ và LaOBr ∶ Tb3+. Với sự phát triển của truyền hình độ nét cao màn hình lớn (HDTV), bột huỳnh quang xanh hiệu suất cao cho CRT cũng đang được phát triển. Ví dụ, một loại bột huỳnh quang xanh lai đã được phát triển ở nước ngoài, bao gồm Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ và Y2SiO5: Tb3+, có hiệu suất phát quang tuyệt vời ở mật độ dòng điện cao.
Bột huỳnh quang tia X truyền thống là canxi tungstat. Vào những năm 1970 và 1980, các chất phát quang đất hiếm để tăng cường màn hình đã được phát triển, chẳng hạn như oxit Lanthanum lưu huỳnh hoạt hóa terbi, oxit Lanthanum brom hoạt hóa terbi (cho màn hình xanh), oxit Yttrium lưu huỳnh hoạt hóa terbi (III), v.v. So với canxi tungstat, bột huỳnh quang đất hiếm có thể giảm thời gian chiếu tia X cho bệnh nhân xuống 80%, cải thiện độ phân giải của phim X-quang, kéo dài tuổi thọ của ống tia X và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Terbi cũng được sử dụng làm chất hoạt hóa bột huỳnh quang cho màn hình tăng cường tia X y tế, có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của việc chuyển đổi tia X thành hình ảnh quang học, cải thiện độ rõ nét của phim X-quang và giảm đáng kể liều tiếp xúc của tia X với cơ thể con người (hơn 50%).
Terbi cũng được sử dụng như một chất hoạt hóa trong phốt pho LED trắng được kích thích bằng ánh sáng xanh cho đèn bán dẫn mới. Nó có thể được sử dụng để sản xuất phốt pho tinh thể quang học từ tính nhôm terbi, sử dụng điốt phát sáng xanh làm nguồn sáng kích thích và huỳnh quang được tạo ra được trộn với ánh sáng kích thích để tạo ra ánh sáng trắng tinh khiết.
Vật liệu phát quang điện làm từ terbi chủ yếu bao gồm phốt pho xanh kẽm sunfua với terbi là chất hoạt hóa. Dưới sự chiếu xạ cực tím, các hợp chất hữu cơ của terbi có thể phát huỳnh quang xanh mạnh và có thể được sử dụng làm vật liệu phát quang điện màng mỏng. Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu màng mỏng phát quang điện phức hợp hữu cơ đất hiếm, nhưng vẫn còn một khoảng cách nhất định so với thực tế và nghiên cứu về màng mỏng phát quang điện phức hợp hữu cơ đất hiếm và các thiết bị vẫn đang trong quá trình nghiên cứu chuyên sâu.
Đặc tính huỳnh quang của terbi cũng được sử dụng làm đầu dò huỳnh quang. Ví dụ, đầu dò huỳnh quang Ofloxacin terbi (Tb3+) được sử dụng để nghiên cứu tương tác giữa phức hợp Ofloxacin terbi (Tb3+) và DNA (DNA) bằng phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ, cho thấy đầu dò Ofloxacin Tb3+ có thể hình thành liên kết rãnh với các phân tử DNA và DNA có thể tăng cường đáng kể huỳnh quang của hệ thống Ofloxacin Tb3+. Dựa trên sự thay đổi này, DNA có thể được xác định.
Đối với vật liệu quang từ
Vật liệu có hiệu ứng Faraday, còn được gọi là vật liệu quang từ, được sử dụng rộng rãi trong laser và các thiết bị quang học khác. Có hai loại vật liệu quang từ phổ biến: tinh thể quang từ và kính quang từ. Trong số đó, tinh thể quang từ (như garnet sắt yttri và garnet gali terbi) có ưu điểm là tần số hoạt động có thể điều chỉnh và độ ổn định nhiệt cao, nhưng chúng đắt tiền và khó sản xuất. Ngoài ra, nhiều tinh thể quang từ có góc quay Faraday cao có độ hấp thụ cao trong dải sóng ngắn, điều này hạn chế việc sử dụng chúng. So với tinh thể quang từ, kính quang từ có ưu điểm là độ truyền qua cao và dễ chế tạo thành khối hoặc sợi lớn. Hiện nay, kính quang từ có hiệu ứng Faraday cao chủ yếu là kính pha tạp ion đất hiếm.
Được sử dụng cho vật liệu lưu trữ quang từ
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của đa phương tiện và tự động hóa văn phòng, nhu cầu về đĩa từ dung lượng cao mới ngày càng tăng. Các màng hợp kim kim loại chuyển tiếp terbi kim loại vô định hình đã được sử dụng để sản xuất đĩa quang từ hiệu suất cao. Trong số đó, màng mỏng hợp kim TbFeCo có hiệu suất tốt nhất. Các vật liệu quang từ gốc terbi đã được sản xuất trên quy mô lớn và các đĩa quang từ làm từ chúng được sử dụng làm linh kiện lưu trữ máy tính, với dung lượng lưu trữ tăng gấp 10-15 lần. Chúng có ưu điểm là dung lượng lớn và tốc độ truy cập nhanh, có thể lau và phủ hàng chục nghìn lần khi sử dụng cho đĩa quang mật độ cao. Chúng là vật liệu quan trọng trong công nghệ lưu trữ thông tin điện tử. Vật liệu quang từ được sử dụng phổ biến nhất trong dải khả kiến và gần hồng ngoại là tinh thể đơn Terbi Gallium Garnet (TGG), đây là vật liệu quang từ tốt nhất để chế tạo bộ quay Faraday và bộ cách ly.
Đối với kính quang học từ tính
Kính quang học từ Faraday có độ trong suốt và đẳng hướng tốt trong vùng khả kiến và hồng ngoại, có thể tạo thành nhiều hình dạng phức tạp khác nhau. Dễ dàng sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn và có thể kéo thành sợi quang. Do đó, nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang học từ như bộ cách ly quang từ, bộ điều biến quang từ và cảm biến dòng điện sợi quang. Do mômen từ lớn và hệ số hấp thụ nhỏ trong vùng khả kiến và hồng ngoại, các ion Tb3+ đã trở thành các ion đất hiếm được sử dụng phổ biến trong kính quang học từ.
Hợp kim sắt từ giảo Terbi Dyprosi
Vào cuối thế kỷ 20, cùng với sự phát triển sâu sắc của cuộc cách mạng khoa học công nghệ thế giới, các loại Vật liệu ứng dụng đất hiếm mới đang nổi lên nhanh chóng. Năm 1984, Đại học bang Iowa của Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Ames của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Trung tâm nghiên cứu vũ khí mặt nước của Hải quân Hoa Kỳ (nhân sự chủ chốt của Công ty Công nghệ Edge Hoa Kỳ (ET REMA) được thành lập sau này đều xuất phát từ trung tâm này) đã cùng nhau phát triển một loại vật liệu thông minh đất hiếm mới, cụ thể là vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbi dysprosi. Vật liệu thông minh mới này có đặc tính tuyệt vời là chuyển đổi nhanh năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Các bộ chuyển đổi điện âm và dưới nước làm từ vật liệu từ giảo khổng lồ này đã được cấu hình thành công trong các thiết bị hải quân, loa phát hiện giếng dầu, hệ thống kiểm soát tiếng ồn và độ rung, hệ thống thăm dò đại dương và thông tin liên lạc dưới lòng đất. Do đó, ngay khi vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbi dysprosi ra đời, nó đã nhận được sự quan tâm rộng rãi từ các nước công nghiệp trên toàn thế giới. Công ty Edge Technologies tại Hoa Kỳ bắt đầu sản xuất vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbi dysprosi vào năm 1989 và đặt tên là Terfenol D. Sau đó, Thụy Điển, Nhật Bản, Nga, Vương quốc Anh và Úc cũng phát triển vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbi dysprosi.
Từ lịch sử phát triển của vật liệu này tại Hoa Kỳ, cả việc phát minh ra vật liệu và các ứng dụng độc quyền ban đầu của nó đều liên quan trực tiếp đến ngành công nghiệp quân sự (như hải quân). Mặc dù các bộ phận quân sự và quốc phòng của Trung Quốc đang dần củng cố sự hiểu biết của họ về vật liệu này. Tuy nhiên, sau khi Sức mạnh toàn diện quốc gia của Trung Quốc tăng lên đáng kể, các yêu cầu để thực hiện chiến lược cạnh tranh quân sự trong thế kỷ 21 và cải thiện trình độ trang bị chắc chắn sẽ rất cấp bách. Do đó, việc sử dụng rộng rãi vật liệu từ kế khổng lồ sắt terbium dysprosi của các bộ phận quân sự và quốc phòng sẽ là một nhu cầu lịch sử.
Tóm lại, nhiều tính chất tuyệt vời của terbi khiến nó trở thành thành viên không thể thiếu của nhiều vật liệu chức năng và là vị trí không thể thay thế trong một số lĩnh vực ứng dụng. Tuy nhiên, do giá terbi cao nên người ta đã nghiên cứu cách tránh và giảm thiểu việc sử dụng terbi để giảm chi phí sản xuất. Ví dụ, vật liệu quang từ đất hiếm cũng nên sử dụng coban sắt dysprosi giá rẻ hoặc coban terbi gadolinium giá rẻ; Cố gắng giảm hàm lượng terbi trong bột huỳnh quang xanh phải sử dụng. Giá cả đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng rộng rãi terbi. Nhưng nhiều vật liệu chức năng không thể thiếu nó, vì vậy chúng ta phải tuân thủ nguyên tắc “sử dụng thép tốt trên lưỡi dao” và cố gắng tiết kiệm việc sử dụng terbi càng nhiều càng tốt.
Thời gian đăng: 05-07-2023