TerbiThuộc loại nặngđất hiếm, với hàm lượng thấp trong lớp vỏ Trái đất chỉ ở mức 1,1 ppm. Oxit Terbium chiếm ít hơn 0,01% tổng lượng đất hiếm. Ngay cả trong quặng đất hiếm nặng loại yttri ion cao có hàm lượng terbium cao nhất, hàm lượng terbium chỉ chiếm 1,1-1,2% tổng lượng đất hiếm, cho thấy nó thuộc loại nguyên tố đất hiếm “cao quý”. Trong hơn 100 năm kể từ khi phát hiện ra terbium vào năm 1843, sự khan hiếm và giá trị của nó đã cản trở ứng dụng thực tế của nó trong một thời gian dài. Chỉ trong 30 năm qua, terbium 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 terbium vào năm 1843. Ông tìm thấy tạp chất của nó trongYttri(III) oxitVàY2O3. Yttrium được đặt theo tên của ngôi làng Ytterby ở Thụy Điển. Trước khi có sự xuất hiện của công nghệ trao đổi ion, terbium không được phân lập ở dạng nguyên chất.
Mosant lần đầu tiên chia oxit Yttrium(III) thành ba phần, tất cả đều được đặt tên theo quặng: oxit Yttrium(III),Erbi(III) oxit, và oxit terbium. Oxit Terbium ban đầu bao gồm một phần màu hồng, do nguyên tố này ngày nay được gọi là erbium. “Erbium(III) oxit” (bao gồm cả cái mà ngày nay chúng ta gọi là terbium) ban đầu 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 thấy “Ôxít Erbium(III)” không màu nhỏ xíu, nhưng không thể bỏ qua phần màu hồng hòa tan. Các cuộc tranh luận về sự tồn tại của oxit Erbium(III) đã nảy sinh nhiều lần. Trong lúc hỗn loạn, tên ban đầu bị đảo ngược và việc trao đổi tên bị mắc kẹt nên phần màu hồng cuối cùng được nhắc đến là dung dịch chứa erbium (trong dung dịch, nó có màu hồng). Hiện nay người ta tin rằng những công nhân sử dụng natri bisulfat hoặc kali sunfat sẽXeri(IV) oxitra khỏi oxit Yttrium(III) và vô tình biến terbium thành trầm tích chứa xeri. Chỉ khoảng 1% oxit Yttrium(III) ban đầu, hiện được gọi là “terbium”, là đủ để chuyển màu hơi vàng sang oxit Yttrium(III). Do đó, terbium là thành phần thứ cấp ban đầu chứa nó và nó được kiểm soát bởi các nước láng giềng gần đó là gadolinium và dysprosium.
Sau đó, bất cứ khi nào các nguyên tố đất hiếm khác được tách ra khỏi hỗn hợp này, bất kể tỷ lệ oxit là bao nhiêu, tên terbium vẫn được giữ nguyên cho đến khi cuối cùng, oxit màu nâu của terbium thu được ở dạng nguyên chất. Các nhà nghiên cứu vào thế kỷ 19 đã không sử dụng công nghệ huỳnh quang tia cực tím để quan sát các nốt màu vàng sáng hoặc xanh lục (III), khiến terbium 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 bị ion hóa thêm, nhưng trong trường hợp terbium, terbium bán đầy cho phép electron thứ tư bị ion hóa thêm khi có chất oxy hóa rất mạnh như khí flo.
Terbium là một kim loại đất hiếm màu trắng bạc, có độ dẻo, dai và mềm, có thể cắt bằng dao. Điểm nóng chảy 1360oC, điểm sôi 3123oC, mật độ 8229 4kg/m3. So với Lanthanide đời đầu, nó tương đối ổn định trong không khí. Là nguyên tố thứ chín của Lanthanide, terbium là kim loại có điện mạnh. Nó phản ứng với nước tạo thành hydro.
Trong tự nhiên, terbium chưa bao giờ được tìm thấy ở dạng nguyên tố tự do, một lượng nhỏ tồn tại trong cát phosphocerium thorium và Gadolinit. Terbium cùng tồn tại với các nguyên tố đất hiếm khác trong cát monazite, với hàm lượng terbium thường là 0,03%. Các nguồn khác là quặng Xenotime và vàng hiếm đen, cả hai đều là hỗn hợp oxit và chứa tới 1% terbium.
Ứng dụng
Việc ứng dụng terbium chủ yếu liên quan đến các lĩnh vực công nghệ cao, là các dự án tiên tiến chuyên sâu về công nghệ và tri thức, cũng như các dự án có lợi ích kinh tế đáng kể và có 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 chăn nuôi cho nông nghiệp.
(2) Chất hoạt hóa bột màu xanh lá cây trong ba loại bột huỳnh quang sơ cấp. Vật liệu quang điện tử hiện đại yêu cầu sử dụng ba màu cơ bản của phốt pho là đỏ, xanh lá cây và xanh lam, có thể được sử dụng để tổng hợp các màu khác nhau. Và terbium 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 tính. Màng mỏng hợp kim kim loại chuyển tiếp terbium 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 tính. Kính quay Faraday chứa terbium là vật liệu chính để chế tạo máy quay, bộ cách ly và bộ tuần hoàn trong công nghệ laser.
(5) Sự phát triển và phát triển của hợp kim sắt từ terbium dysprosium (TerFenol) đã mở ra những ứng dụng mới cho terbium.
Đối với nông nghiệp và chăn nuôi
Terbium đất hiếm có thể cải thiện chất lượng cây trồng và tăng tốc độ quang hợp trong một phạm vi nồng độ nhất định. Phức hợp Terbium có hoạt tính sinh học cao. Các phức chất bậc ba của terbium, 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. Việc nghiên cứu các phức hợp này 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 yêu cầu sử dụng ba màu cơ bản của phốt pho là đỏ, xanh lá cây và xanh lam, có thể được sử dụng để tổng hợp các màu khác nhau. Và terbium 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 yttrium và europium, thì việc ứng dụng và phát triển terbium đã được thúc đẩy bởi bột huỳnh quang xanh ba màu cơ bản đất hiếm dùng cho đèn. Đầu những năm 1980, Philips đã phát minh ra bóng đèn huỳnh quang nhỏ gọn tiết kiệm năng lượng đầu tiên trên thế giới và nhanh chóng quảng bá nó trên toàn cầu. Các ion Tb3+ có thể phát ra ánh sáng xanh lục có bước sóng 545nm và hầu như tất cả các photpho xanh đất hiếm đều sử dụng terbium làm chất kích hoạt.
Chất lân quang xanh lá cây cho ống tia âm cực TV màu (CRT) luôn dựa trên Zinc sulfide, rẻ tiền và hiệu quả, nhưng bột terbium luôn được sử dụng làm chất lân quang xanh lá cây cho TV màu chiếu, bao gồm Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ và LaOBr ∶ Tb3+. Với sự phát triển của truyền hình độ phân giải cao màn hình lớn (HDTV), bột huỳnh quang màu xanh lá cây hiệu suất cao cho CRT cũng đang được phát triển. Ví dụ, một loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây 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 tungstate. Trong những năm 1970 và 1980, các loại photpho đất hiếm để tăng cường màn chắn đã được phát triển, chẳng hạn như oxit Lanthanum lưu huỳnh hoạt hóa terbium, oxit Lanthanum bromua hoạt hóa terbium (cho màn hình xanh), oxit lưu huỳnh hoạt tính terbium Yttrium(III), v.v. So với canxi tungstate, Bột huỳnh quang đất hiếm có thể giảm 80% thời gian chiếu tia X cho bệnh nhân, cải thiện độ phân giải của phim X quang, kéo dài tuổi thọ của tia X ống và giảm tiêu thụ năng lượng. Terbium cũng được sử dụng làm chất kích hoạt 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 của phim tia X và giảm đáng kể liều phơi nhiễm X- tia tới cơ thể con người (hơn 50%).
Terbium cũng được sử dụng làm chất kích hoạt trong phốt pho LED trắng được kích thích bởi ánh sáng xanh để chiếu sáng bán dẫn mới. Nó có thể được sử dụng để sản xuất photpho tinh thể quang học từ nhôm terbium, sử dụng điốt phát sáng màu xanh lam 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.
Các vật liệu phát quang điện làm từ terbium chủ yếu bao gồm phốt pho xanh sunfua kẽm với terbium làm chất kích hoạt. Dưới bức xạ cực tím, các phức hợp hữu cơ của terbium có thể phát ra huỳnh quang màu xanh lá cây mạnh và có thể được sử dụng làm vật liệu phát quang điện màng mỏng. Mặc dù đã đạt được tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu màng mỏng điện phát quang phức hợp hữu cơ đất hiếm, nhưng vẫn còn một khoảng cách nhất định so với thực tiễn, và nghiên cứu về màng mỏng và thiết bị điện phát quang phức hợp hữu cơ đất hiếm vẫn còn đi sâu.
Các đặc tính huỳnh quang của terbium cũng được sử dụng làm đầu dò huỳnh quang. Ví dụ, đầu dò huỳnh quang Ofloxacin terbium (Tb3+) được sử dụng để nghiên cứu sự tương tác giữa phức hợp Ofloxacin terbium (Tb3+) và DNA (DNA) bằng phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ, cho thấy rằng đầu dò Ofloxacin Tb3+ có thể tạo thành rãnh liên kết với các phân tử DNA, và DNA có thể tăng cường đáng kể khả năng phát 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 hay còn 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 học từ tính phổ biến: tinh thể quang học từ tính và thủy tinh quang học từ tính. Trong số đó, các tinh thể quang từ (như ngọc hồng lựu Yttrium sắt và ngọc hồng lựu terbium gallium) 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 học từ tính, thủy tinh quang học từ tính có ưu điểm là độ truyền qua cao và dễ dàng chế tạo thành các 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 mới dung lượng cao ngày càng tăng. Màng hợp kim kim loại chuyển tiếp terbium 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. Vật liệu quang từ dựa trên Terbium đã được sản xuất trên quy mô lớn và các đĩa quang từ làm từ chúng được sử dụng làm thành phần lưu trữ máy tính, với dung lượng lưu trữ tăng gấp 10-15 lần. Chúng có ưu điểm là dung lượng lớn, tốc độ truy xuất nhanh, có thể xóa và phủ hàng chục nghìn lần khi sử dụng cho đĩa quang mật độ cao. Chúng là những vật liệu quan trọng trong công nghệ lưu trữ thông tin điện tử. Vật liệu quang từ được sử dụng phổ biến nhất trong các dải khả kiến và cận hồng ngoại là tinh thể đơn Terbium Gallium Garnet (TGG), đây là vật liệu quang từ tốt nhất để chế tạo bộ quay và bộ cách ly Faraday.
Đối với kính quang học từ tính
Kính quang học từ tính Faraday có độ trong suốt và đẳng hướng tốt ở vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại, đồng thời 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 từ như bộ cách ly quang từ, bộ điều biến quang từ và cảm biến dòng sợi quang. Do mô men từ lớn và hệ số hấp thụ nhỏ trong vùng khả kiến và hồng ngoại, các ion Tb3+ đã trở thành ion đất hiếm được sử dụng phổ biến trong kính quang học từ tính.
Hợp kim sắt từ Terbium dysprosium
Vào cuối thế kỷ 20, với sự phát triển sâu rộng của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ thế giới, Vật liệu ứng dụng đất hiếm mới đang xuất hiện 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 bề mặt của Hải quân Hoa Kỳ (nhân sự chính của Công ty Công nghệ American Edge (ET REMA) được thành lập sau này đến từ trung tâm) đã cùng phát triển một loại vật liệu thông minh đất hiếm mới, cụ thể là vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbium dysprosium. Vật liệu thông minh mới này có đặc tính tuyệt vời là chuyển đổi nhanh chóng năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Các bộ chuyển đổi điện âm và dưới nước được làm từ vật liệu từ giảo khổng lồ này đã được cấu hình thành công trong thiết bị hải quân, loa phát hiện giếng dầu, hệ thống kiểm soát tiếng ồn và độ rung cũng như hệ thống liên lạc dưới lòng đất và thám hiểm đại dương. Vì vậy, ngay khi vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbium dysprosium ra đời đã nhận được sự quan tâm rộng rãi từ các nước công nghiệp phát triển trên thế giới. Edge Technologies tại Hoa Kỳ bắt đầu sản xuất vật liệu từ giảo khổng lồ bằng sắt terbium dysprosium vào năm 1989 và đặt tên chúng là Terfenol D. Sau đó, Thụy Điển, Nhật Bản, Nga, Vương quốc Anh và Úc cũng phát triển vật liệu từ giảo khổng lồ bằng sắt terbium dysprosium.
Từ lịch sử phát triển của vật liệu này ở Hoa Kỳ, cả việc phát minh ra vật liệu này và những ứng dụng độc quyền ban đầu của nó đều liên quan trực tiếp đến ngành công nghiệp quân sự (chẳng hạn như hải quân). Mặc dù các cơ quan quân sự và quốc phòng của Trung Quốc đang dần tăng cường hiểu biết về tài liệu này. Tuy nhiên, sau khi Sức mạnh quốc gia toàn diện của Trung Quốc tăng lên đáng kể, yêu cầu hiện thực hóa chiến lược cạnh tranh quân sự trong thế kỷ 21 và nâng cao trình độ trang bị chắc chắn sẽ rất cấp bách. Do đó, việc sử dụng rộng rãi vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbium dysprosium của các bộ quân sự và quốc phòng sẽ là một nhu cầu lịch sử.
Nói tóm lại, nhiều đặc tính tuyệt vời của terbium khiến nó trở thành thành phần không thể thiếu trong nhiều vật liệu chức năng và là vị trí không thể thay thế trong một số lĩnh vực ứng dụng. Tuy nhiên, do giá terbium cao nên người ta đã nghiên cứu cách tránh và giảm thiểu việc sử dụng terbium để giảm chi phí sản xuất. Ví dụ, vật liệu quang từ đất hiếm cũng nên sử dụng coban sắt dysprosi hoặc coban gadolinium terbium chi phí thấp càng nhiều càng tốt; Cố gắng giảm hàm lượng terbium trong bột huỳnh quang màu xanh lá cây phải được sử dụng. Giá đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng rộng rãi terbium. Nhưng nhiều vật liệu chức năng không thể làm được nếu không có nó, vì vậy chúng tôi phải tuân thủ nguyên tắc “sử dụng thép tốt trên lưỡi dao” và cố gắng tiết kiệm việc sử dụng terbium càng nhiều càng tốt.
Thời gian đăng: Jul-05-2023