Yếu tố đất hiếm kỳ diệu: terbium

Terbiumthuộc về loại đất hiếm nặng, với độ phong phú thấp trong lớp vỏ của Trái đất chỉ với 1,1 ppm.Oxit terbiumchiếm ít hơn 0,01% tổng số trái đất hiếm. Ngay cả trong quặng đất nặng loại ion nặng với hàm lượng terbium cao nhất, hàm lượng terbium chỉ chiếm 1,1-1,2% tổng sốTrái đất hiếm, chỉ ra rằng nó thuộc thể loại của "Trái đất hiếmcác yếu tố. Trong hơn 100 năm kể từ khi phát hiện ra terbium vào năm 1843, sự khan hiếm và giá trị của nó đã ngăn chặn ứng dụng thực tế của nó trong một thời gian dài. Chỉ trong 30 năm qua,Terbiumđã thể hiện tài năng độc đáo của nó.

Khám phá lịch sử

Nhà hóa học Thụy Điển Carl Gustaf Mosander đã phát hiện ra Terbium vào năm 1843. Ông đã phát hiện ra các tạp chất của nó trongoxit yttriVàY2O3. Yttriđược đặt theo tên của ngôi làng Itby ở Thụy Điển. Trước sự xuất hiện của công nghệ trao đổi ion, terbium không bị cô lập ở dạng thuần túy.

Mossander đầu tiên chia rẽoxit yttrithành ba phần, tất cả đều được đặt tên theo quặng:oxit yttri, Erbium oxit, Vàoxit terbium. Oxit terbiumban đầu được cấu tạo từ một phần màu hồng, do yếu tố hiện được gọi làErbium. Erbium oxit(bao gồm cả những gì chúng ta gọi là Terbium) ban đầu là một phần không màu trong giải pháp. Các oxit không hòa tan của nguyên tố này được coi là màu nâu.

Các công nhân sau này cảm thấy khó khăn khi quan sát không màu nhỏErbium oxitKhông thể bỏ qua phần màu hồng hòa tan. Cuộc tranh luận về sự tồn tại củaErbium oxitđã nhiều lần xuất hiện. Trong sự hỗn loạn, tên ban đầu đã bị đảo ngược và việc trao đổi tên đã bị kẹt, vì vậy phần màu hồng cuối cùng đã được đề cập như một giải pháp chứa erbium (trong dung dịch, nó có màu hồng). Hiện tại người ta tin rằng những người lao động sử dụng natri disulfide hoặc kali sulfate để loại bỏ cerium dioxide khỏioxit yttrivô tình quay lạiTerbiumvào cerium chứa kết tủa. Hiện được gọi là 'Terbium', chỉ có khoảng 1% bản gốcoxit yttricó mặt, nhưng điều này là đủ để truyền màu vàng nhạt đểoxit yttri. Vì thế,Terbiumlà một thành phần thứ cấp ban đầu chứa nó và nó được điều khiển bởi các nước láng giềng trực tiếp của nó,GadoliniumVàDysprosium.

Sau đó, bất cứ khi nào khácTrái đất hiếmCác yếu tố được tách ra khỏi hỗn hợp này, bất kể tỷ lệ oxit, tên của terbium đã được giữ lại cho đến khi cuối cùng, oxit nâu củaTerbiumthu được ở dạng tinh khiết. Các nhà nghiên cứu trong thế kỷ 19 không sử dụng công nghệ huỳnh quang cực tím để quan sát các nốt màu vàng hoặc xanh lá cây sáng (III), giúp Terbium dễ dàng được nhận ra trong các hỗn hợp hoặc dung dịch rắn.

Cấu hình điện tử

Bố cục điện tử:

1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P6 5S2 4D10 5P6 6S2 4F9

Sự sắp xếp điện tử củaTerbiumlà [XE] 6S24F9. Thông thường, chỉ có ba electron có thể được loại bỏ trước khi điện tích hạt nhân trở nên quá lớn để được ion hóa hơn nữa. Tuy nhiên, trong trường hợp củaTerbium, bán đầyTerbiumcho phép ion hóa thêm của electron thứ tư với sự hiện diện của một chất oxy hóa rất mạnh như khí flo.

Kim loại

Terbiumlà một kim loại đất hiếm màu trắng bạc với độ dẻo, độ dẻo dai và độ mềm có thể được cắt bằng dao. Điểm nóng chảy 1360, điểm sôi 3123, mật độ 8229 4kg/m3. So với các yếu tố lanthanide sớm, nó tương đối ổn định trong không khí. Yếu tố thứ chín của các nguyên tố lanthanide, terbium, là một kim loại tích điện cao phản ứng với nước để tạo thành khí hydro.

Trong tự nhiên,TerbiumChưa bao giờ được tìm thấy là một yếu tố tự do, có một lượng nhỏ trong cát thorium cerium phốt pho và quặng silicon beryllium yttri.TerbiumCùng tồn tại với các yếu tố đất hiếm khác trong cát monazite, với hàm lượng terbium nói chung là 0,03%. Các nguồn khác bao gồm yttri phosphate và vàng đất hiếm, cả hai đều là hỗn hợp các oxit chứa tới 1% terbium.

Ứng dụng

Ứng dụng củaTerbiumChủ yếu liên quan đến các lĩnh vực công nghệ cao, là các dự án tiên tiến chuyên sâu về công nghệ và kiến ​​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 trái đất hiếm hỗn hợp. Ví dụ, nó được sử dụng như một phân bón hợp chất đất hiếm và phụ gia thức ăn cho nông nghiệp.

(2) Chất kích hoạt cho bột xanh trong ba loại bột huỳnh quang chính. Các 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 các màu khác nhau. VàTerbiumlà một thành phần không thể thiếu trong nhiều loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây chất lượng cao.

(3) Được sử dụng làm vật liệu lưu trữ quang từ Magneto. Các màng mỏng kim loại chuyển tiếp kim loại vô định hình đã được sử dụng để sản xuất các đĩa quang từ tính hiệu suất cao.

(4) Sản xuất kính quang học Magneto. Kính quay Faraday có chứa terbium là một vật liệu chính cho máy quay sản xuất, bộ cách ly và bộ tuần hoàn trong công nghệ laser.

.

Cho nông nghiệp và chăn nuôi

Trái đất hiếmTerbiumCó thể cải thiện chất lượng của cây trồng và tăng tốc độ quang hợp trong một phạm vi nồng độ nhất định. Các phức hợp của terbium có hoạt động sinh học cao và các phức hợp ternary củaTerbium, TB (ALA) 3benim (CLO4) 3-3H2O, có tác dụng kháng khuẩn và diệt khuẩn tốt trên Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis và Escherichia coli, với các đặc tính kháng khuẩn phổ rộng. Nghiên cứu về các tổ 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

Các 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 các màu khác nhau. Và Terbium là một thành phần không thể thiếu trong nhiều loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây chất lượng cao. Nếu sự ra đời của bột màu đỏ tv màu đỏ quý hiếm đã kích thích nhu cầuyttriVàEuropium, sau đó, ứng dụng và sự phát triển của terbium đã được thúc đẩy bởi trái đất quý hiếm, ba loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây chính cho đèn. 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 với bước sóng 545nm và hầu hết tất cả các loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây hiếmTerbium, như một chất kích hoạt.

Bột huỳnh quang màu xanh lá cây được sử dụng cho các ống tia catốt tv màu (CRT) luôn chủ yếu dựa trên kẽm sunfua giá rẻ và hiệu quả, nhưng bột terbium luôn được sử dụng làm bột màu xanh lá cây màu, như Y2SIO5: TB3+, Y3 (AL, GA) 5O12: 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 vonstate. Trong những năm 1970 và 1980, bột huỳnh quang đất hiếm cho màn hình nhạy cảm đã được phát triển, chẳng hạn nhưTerbium, oxit lanthanum sulfide được kích hoạt, Terbium hoạt hóa lanthanum bromide oxit (đối với màn hình màu xanh lá cây) và Terbium kích hoạt oxit sulfide yttri. So với canxi vonstate, bột huỳnh quang đất hiếm có thể giảm 80%thời gian chiếu xạ tia X cho bệnh nhân, cải thiện độ phân giải của màng tia X, kéo dài tuổi thọ của ống tia X và giảm tiêu thụ năng lượng. Terbium cũng được sử dụng như một chất kích hoạt bột huỳnh quang cho màn hình tăng cường tia X y tế, có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của chuyển đổi tia X thành hình ảnh quang học, cải thiện độ rõ của màng tia X và giảm đáng kể liều tiếp xúc của tia X với cơ thể con người (hơn 50%).

Terbiumcũng được sử dụng như một chất kích hoạt trong phốt pho đèn LED màu trắng bị kích thích bởi ánh sáng xanh cho ánh sáng bán dẫn mới. Nó có thể được sử dụng để tạo ra các phốt pho tinh thể quang học bằng nhôm terbium, sử dụng các điốt phát sáng màu xanh như 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 được làm từ terbium chủ yếu bao gồm bột huỳnh quang màu xanh lá cây kẽm sunfua vớiTerbiumLà chất kích hoạt. Theo chiếu 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 điện phát quang màng mỏng. Mặc dù tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong nghiên cứu củaTrái đất hiếmCác màng mỏng chất điện phân phức hợp hữu cơ, vẫn còn một khoảng cách nhất định từ tính thực tế và nghiên cứu về các thiết bị và các thiết bị mỏng chất điện phân phức hợp hữu cơ trái đất vẫn còn sâu.

Các đặc tính huỳnh quang của terbium cũng được sử dụng làm đầu dò huỳnh quang. Sự tương tác giữa phức hợp Ofloxacin Terbium (TB3+) và axit deoxyribonucleic (DNA) đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng quang phổ huỳnh quang và hấp thụ, như đầu dò huỳnh quang của Ofloxacin terbium (TB3+). Kết quả cho thấy đầu dò Ofloxacin TB3+có thể tạo thành một liên kết rãnh với các phân tử DNA và axit deoxyribonucleic có thể tăng cường đáng kể sự phát 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 Magneto

Các vật liệu có hiệu ứng Faraday, còn được gọi là vật liệu quang học, được sử dụng rộng rãi trong laser và các thiết bị quang học khác. Có hai loại vật liệu quang Magneto phổ biến: tinh thể quang học và kính quang học từ tính. Trong số đó, các tinh thể quang học (như garnet sắt yttri và terbium gallium garnet) có những ưu điểm của tần số vận hành có thể điều chỉnh và độ ổn định nhiệt cao, nhưng chúng rất tốn kém và khó sản xuất. Ngoài ra, nhiều tinh thể quang học có góc quay Faraday cao có độ hấp thụ cao trong phạm vi sóng ngắn, làm hạn chế việc sử dụng của chúng. So với các tinh thể quang học từ tính, kính quang Magneto có lợi thế về độ truyền qua cao và dễ dàng được tạo thành các khối hoặc sợi lớn. Hiện tại, kính quang học có hiệu ứng Faraday cao chủ yếu là kính pha tạp ion đất hiếm.

Được sử dụng cho vật liệu lưu trữ quang từ Magneto

Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của tự động hóa đa phương tiện và văn phòng, nhu cầu về các đĩa từ tính công suất cao mới đang tăng lên. Các màng mỏng kim loại chuyển tiếp kim loại vô định hình đã được sử dụng để sản xuất các đĩa quang từ tính hiệu suất cao. Trong số đó, màng mỏng hợp kim TBFECO có hiệu suất tốt nhất. Các vật liệu quang học dựa trên Terbium đã được sản xuất ở quy mô lớn và các đĩa quang từ được làm từ chúng được sử dụng làm thành phần lưu trữ máy tính, với dung lượng lưu trữ tăng 10-15 lần. Họ có những ưu điểm của công suất lớn và tốc độ truy cập nhanh, và có thể được xóa sạch và phủ hàng chục ngàn lần khi được sử dụng cho các đĩa quang mật độ cao. Chúng là những vật liệu quan trọng trong công nghệ lưu trữ thông tin điện tử. Vật liệu quang học được sử dụng phổ biến nhất trong các dải có thể nhìn thấy và cận hồng ngoại là tinh thể đơn terbium gallium garnet (TGG), là vật liệu quang học tốt nhất để chế tạo máy quay và cách ly Faraday.

Đối với kính quang học Magneto

Kính quang Magneto Faraday có độ trong suốt và đẳng hướng tốt ở các vùng có thể nhìn thấy và hồng ngoại, và có thể tạo thành các hình dạng phức tạp khác nhau. Thật dễ dàng để sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn và có thể được rút vào các sợi quang. Do đó, nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang học từ như các bộ cách ly quang Magneto, bộ điều biến quang Magneto và các cảm biến dòng quang. Do thời điểm từ tính lớn và hệ số hấp thụ nhỏ trong phạm vi nhìn thấy và hồng ngoại, các ion TB3+đã trở thành các ion đất hiếm thường được sử dụng trong kính quang từ Magneto.

Hợp kim ferromagnetostostostostitive terbium

Vào cuối thế kỷ 20, với sự sâu sắc liên tục 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 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Trung tâm nghiên cứu vũ khí bề mặt của Hải quân Hoa Kỳ (từ đó nhân viên chính của Tập đoàn Công nghệ Edge (ET REMA) được thành lập) đã hợp tác để phát triển vật liệu thông minh trái đất mới, cụ thể là vật liệu Ferromagenn từ Terbium. Vật liệu thông minh mới này có đặc điểm tuyệt vời của việc chuyển đổi năng lượng điện nhanh chóng thành năng lượng cơ học. Các bộ chuyển đổi dưới nước và điện âm được làm từ vật liệu từ tính 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 rung, và hệ thống truyền thông dưới lòng đất. Do đó, ngay khi vật liệu từ tính khổng lồ của Terbium dysprosium đã ra đời, nó đã nhận được sự chú ý rộng rãi từ các nước công nghiệp trên thế giới. Các công nghệ cạnh ở Hoa Kỳ đã bắt đầu sản xuất các vật liệu từ tính khổng lồ của Terbium Dysprosium vào năm 1989 và đặt tên cho chúng là Terfenol D. Sau đó, Thụy Điển, Nhật Bản, Nga, Vương quốc Anh và Úc cũng phát triển các vật liệu từ tính sắt của Terbium Dysprosium.

Từ lịch sử phát triển tài liệu này ở Hoa Kỳ, cả phát minh của tài 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 tăng cường sự hiểu biết của họ về tài liệu này. Tuy nhiên, với sự tăng cường đáng kể về 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 thiết bị chắc chắn sẽ rất cấp bách. Do đó, việc sử dụng rộng rãi các vật liệu từ tính khổng lồ của Terbium Dysprosium của các bộ phận quân sự và quốc phòng sẽ là một điều cần thiết lịch sử.

Nói tóm lại, nhiều tài sản tuyệt vời củaTerbiumLàm cho nó trở thành một thành viên không thể thiếu của nhiều vật liệu chức năng và vị trí không thể thay thế trong một số trường ứng dụng. Tuy nhiên, do giá terbium cao, mọi người 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 chi phí thấpDysprosium sắtcoban hoặc gadolinium terbium coban 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 rãiTerbium. Nhưng nhiều vật liệu chức năng không thể làm mà không có nó, vì vậy chúng ta phải tuân thủ nguyên tắcTerbiumcàng nhiều càng tốt.