Nguyên tố đất hiếm kỳ diệu: Terbi

Terbithuộc loại đất hiếm nặng, có hàm lượng thấp trong lớp vỏ Trái Đất, chỉ 1,1 ppm.Oxit Terbichiếm ít hơn 0,01% tổng số đất hiếm. Ngay cả trong quặng đất hiếm nặng loại ion yttri cao với hàm lượng terbi cao nhất, hàm lượng terbi chỉ chiếm 1,1-1,2% tổng sốđất hiếm, cho thấy nó thuộc về loại “cao quý”đất hiếmcác nguyên tố. Trong hơn 100 năm kể từ khi phát hiện ra terbi vào năm 1843, sự 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 qua,terbiđã thể hiện 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 đã phát hiện ra tạp chất của nó trongytri oxitVàY2O3. Ytriđược đặt theo tên ngôi làng Itby ở Thụy Điển. Trước khi công nghệ trao đổi ion xuất hiện, terbi không được phân lập ở dạng tinh khiết.

Mossander đầu tiên chiaytri oxitthành ba phần, tất cả đều được đặt tên theo quặng:ytri oxit, oxit erbi, Vàoxit terbi. Oxit Terbiban đầu được tạo thành từ một phần màu hồng, do nguyên tố hiện được gọi làerbi. Oxit erbi(bao gồm cả những gì chúng ta gọi là terbi) ban đầu là một phần không màu trong dung dịch. Oxit không hòa tan của nguyên tố này được coi là màu nâu.

Sau này, các công nhân thấy khó quan sát được những “oxit erbi“, nhưng phần màu hồng hòa tan không thể bị bỏ qua. Cuộc tranh luận về sự tồn tại củaoxit erbiđã nhiều lần xuất hiện. 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 erbi (trong dung dịch, nó có màu hồng). Bây giờ người ta tin rằng những công nhân sử dụng natri disulfua hoặc kali sunfat để loại bỏ xeri dioxit khỏiytri oxitvô tình quay lạiterbithành chất kết tủa chứa xeri. Hiện nay được gọi là'terbi', chỉ khoảng 1% so với bản gốcytri oxitcó mặt, nhưng điều này đủ để truyền màu vàng nhạt đếnytri oxit. Vì thế,terbilà thành phần thứ cấp ban đầu chứa nó và được kiểm soát bởi những người hàng xóm trực tiếp của nó,gadoliniVàloạn dưỡng.

Sau đó, bất cứ khi nào khácđất hiếmcác nguyên tố được tách ra khỏi hỗn hợp này, bất kể tỷ lệ oxit, tên của terbi được giữ nguyên cho đến cuối cùng, oxit màu nâu củaterbiđược 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

Bố cục điện tử:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

Sự sắp xếp điện tử củaterbilà [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. Tuy nhiên, trong trường hợpterbi, bán đầyterbicho phép ion hóa thêm electron thứ tư khi có chất oxy hóa rất mạnh như khí flo.

Kim loại

Terbilà kim loại đất hiếm màu trắng bạc, có độ dẻo, độ dai, độ mềm, có thể cắt bằng dao. Điểm nóng chảy 1360 ℃, điểm sôi 3123 ℃, khối lượng riêng 8229 4kg/m3. So với các nguyên tố lanthanide ban đầu, nó tương đối ổn định trong không khí. Nguyên tố thứ chín của các nguyên tố lanthanide, terbi, là một kim loại tích điện cao, phản ứng với nước tạo thành khí hydro.

Trong tự nhiên,terbichưa bao giờ được tìm thấy là một nguyên tố tự do, có mặt với hàm lượng nhỏ trong cát xeri thorium phốt pho và quặng ytri berisilic.Terbicùng tồn tại với các nguyên tố đất hiếm khác trong cát monazit, với hàm lượng terbi thường là 0,03%. Các nguồn khác bao gồm yttri phosphate và vàng đất hiếm, cả hai đều là hỗn hợp oxit chứa tới 1% terbi.

Ứng dụng

Ứng dụng củaterbichủ yếu liên quan đến các lĩnh vực công nghệ cao, là các dự án tiên tiến, thâm dụng công nghệ và tri thức, cũng như các dự án có 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 màu xanh lá cây trong ba loại bột huỳnh quang chính. 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. Vàterbilà 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 hiếmterbicó thể cải thiện chất lượng cây trồng và tăng tốc độ quang hợp trong một phạm vi nồng độ nhất định. Các phức hợp của terbi có hoạt tính sinh học cao và các phức hợp ba thành phần củaterbi, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, có tác dụng kháng khuẩn và diệt khuẩn tốt đối với Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis và Escherichia coli, có tính chất kháng khuẩn phổ rộng. 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 đòi hỏi phải sử dụng ba màu cơ bản của photpho, 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 vềytriVàeuropium, sau đó ứng dụng và phát triển của terbi đã được thúc đẩy bởi bột huỳnh quang màu xanh lục ba màu cơ bản của 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 lục có bước sóng 545nm và hầu hết tất cả các loại bột huỳnh quang màu xanh lục đất hiếm đều sử dụngterbi, như một chất kích hoạt.

Bột huỳnh quang xanh dùng cho ống tia âm cực TV màu (CRT) luôn chủ yếu dựa trên kẽm sunfua giá rẻ và hiệu quả, nhưng bột terbi luôn được dùng làm bột xanh cho TV màu chiếu, chẳng hạn như 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, bột huỳnh quang đất hiếm cho màn hình nhạy cảm đã được phát triển, chẳng hạn nhưterbi, oxit sulfua lanthanum hoạt hóa, oxit bromua lanthanum hoạt hóa terbi (dành cho màn hình xanh) và oxit sulfua yttri hoạt hóa terbi. 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%).

Terbicũng được sử dụng như một chất hoạt hóa trong phốt pho LED trắng được kích thích bởi 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 terbium, 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 được làm từ terbi chủ yếu bao gồm bột huỳnh quang xanh kẽm sunfua vớiterbinhư chất hoạt hóa. Dưới sự chiếu xạ cực tím, các hợp chất hữu cơ của terbi có thể phát huỳnh quang màu xanh lá cây 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 cứuđất hiếmMàng mỏng phát quang điện phức hợp hữu cơ 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 giai đoạn nghiên cứu chuyên sâu.

Các đặc tính huỳnh quang của terbi cũng được sử dụng làm đầu dò huỳnh quang. Sự tương tác giữa phức hợp ofloxacin terbi (Tb3+) và axit deoxyribonucleic (DNA) đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng phổ huỳnh quang và hấp thụ, chẳng hạn như đầu dò huỳnh quang của ofloxacin terbi (Tb3+). Kết quả cho thấy đầu dò ofloxacin Tb3+ có thể hình thành liên kết rãnh với các phân tử DNA và axit deoxyribonucleic có thể tăng cường đáng kể huỳnh quang của hệ thống ofloxacin Tb3+. Dựa trên sự thay đổi này, axit deoxyribonucleic 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 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. 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 không ngừng của cuộc cách mạng công nghệ thế giới, các vật liệu ứng dụng đất hiếm mới đã nhanh chóng xuất hiện. Năm 1984, Đại học bang Iowa, Phòng thí nghiệm Ames thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Trung tâm nghiên cứu vũ khí mặt nước của Hải quân Hoa Kỳ (nơi mà các nhân sự chủ chốt của Edge Technology Corporation (ET REMA) sau này xuất thân) đã hợp tác để phát triển một vật liệu thông minh đất hiếm mới, cụ thể là vật liệu từ giảo 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 bằng 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, với sự tăng cường đáng kể sức mạnh quốc gia toàn diện của Trung Quốc, nhu cầu đạt được chiến lược cạnh tranh quân sự 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 tính khổng lồ sắt terbium dysprosi của các bộ phận quân sự và quốc phòng sẽ là một nhu cầu lịch sử.

Tóm lại, nhiều đặc tính tuyệt vời củaterbilàm cho nó trở thành thành phần 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 từ quang đất hiếm cũng nên sử dụng vật liệu giá rẻsắt dysprosicoban hoặc gadolinium terbium coban càng nhiều càng tốt; Cố gắng giảm hàm lượng terbium trong bột huỳnh quang màu xanh lá cây phải sử dụng. Giá cả đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng rộng rãiterbi. 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 dụngterbicàng nhiều càng tốt.