Element màgic de la Terra Rara: Terbi

Terbipertany a la categoria de terres rares pesades, amb una baixa abundància a l'escorça terrestre de només 1,1 ppm.Òxid de terbirepresenta menys del 0,01% del total de terres rares. Fins i tot en el mineral de terres rares pesades de tipus alt en ions d'itri amb el contingut més alt de terbi, el contingut de terbi només representa l'1,1-1,2% del totalterres rares, indicant que pertany a la categoria «noble» deterres rareselements. Durant més de 100 anys des del descobriment del terbi el 1843, la seva escassetat i valor han impedit la seva aplicació pràctica durant molt de temps. Només en els darrers 30 anys queterbiha demostrat el seu talent únic.

Descobrint la història

El químic suec Carl Gustaf Mosander va descobrir el terbi el 1843. Va descobrir les seves impureses enòxid d'itriiY2O3. Itrirep el nom del poble d'Itby a Suècia. Abans de l'aparició de la tecnologia d'intercanvi iònic, el terbi no s'aïllava en la seva forma pura.

Mossander primer va dividiròxid d'itrien tres parts, totes amb el nom de minerals:òxid d'itri, òxid d'erbi, iòxid de terbi. Òxid de terbioriginalment estava compost per una part rosa, a causa de l'element que ara es coneix com aerbi. Òxid d'erbi(inclòs el que ara anomenem terbi) era originalment una part incolora en solució. L'òxid insoluble d'aquest element es considera marró.

Més tard, els treballadors van trobar difícil observar petites "incolores"òxid d'erbi«, però la part rosa soluble no es pot ignorar. El debat sobre l'existència deòxid d'erbiha sorgit repetidament. En el caos, el nom original es va invertir i l'intercanvi de noms es va bloquejar, de manera que la part rosa finalment es va esmentar com una solució que contenia erbi (a la solució, era rosa). Ara es creu que els treballadors que utilitzen disulfur de sodi o sulfat de potassi per eliminar el diòxid de ceri deòxid d'itrigirar sense volerterbien precipitats que contenen ceri. Actualment conegut com a'terbi', només aproximadament l'1% de l'originalòxid d'itrihi ha, però això és suficient per transmetre un color groc clar aòxid d'itriPer tant,terbiés un component secundari que inicialment el contenia, i està controlat pels seus veïns immediats,gadoliniidisprosi.

Després, sempre que altresterres rareselements es van separar d'aquesta mescla, independentment de la proporció de l'òxid, el nom de terbi es va conservar fins que finalment, l'òxid marró deterbies va obtenir en forma pura. Els investigadors del segle XIX no utilitzaven la tecnologia de fluorescència ultraviolada per observar nòduls (III) de color groc o verd brillant, cosa que facilitava el reconeixement del terbi en mescles o solucions sòlides.

configuració electrònica

Disseny electrònic:

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

L'ordenació electrònica deterbiés [Xe] 6s24f9. Normalment, només es poden eliminar tres electrons abans que la càrrega nuclear esdevingui massa gran per ser ionitzada més. Tanmateix, en el cas deterbi, el semiomplertterbipermet una major ionització del quart electró en presència d'un oxidant molt fort com el gas fluor.

Metall

Terbiés un metall de terres rares blanc platejat amb ductilitat, tenacitat i suavitat que es pot tallar amb un ganivet. Punt de fusió 1360 ℃, punt d'ebullició 3123 ℃, densitat 8229 4 kg/m3. En comparació amb els primers elements lantànids, és relativament estable a l'aire. El novè element dels elements lantànids, el terbi, és un metall altament carregat que reacciona amb l'aigua per formar gas hidrogen.

A la natura,terbiMai s'ha trobat que sigui un element lliure, present en petites quantitats en sorra de fòsfor, ceri, tori i mineral de silici, beril·li itri.Terbicoexisteix amb altres elements de terres rares a la sorra monazita, amb un contingut de terbi generalment del 0,03%. Altres fonts inclouen el fosfat d'itri i l'or de terres rares, tots dos són mescles d'òxids que contenen fins a un 1% de terbi.

Aplicació

L'aplicació deterbiprincipalment implica camps d'alta tecnologia, que són projectes d'avantguarda intensius en tecnologia i coneixement, així com projectes amb beneficis econòmics significatius, amb perspectives de desenvolupament atractives.

Les principals àrees d'aplicació inclouen:

(1) Utilitzat en forma de terres rares barrejades. Per exemple, s'utilitza com a fertilitzant compost de terres rares i additiu per a pinsos per a l'agricultura.

(2) Activador per a la pols verda en tres pols fluorescents primàries. Els materials optoelectrònics moderns requereixen l'ús de tres colors bàsics de fòsfor, és a dir, vermell, verd i blau, que es poden utilitzar per sintetitzar diversos colors. Iterbiés un component indispensable en moltes pols fluorescents verdes d'alta qualitat.

(3) S'utilitza com a material d'emmagatzematge magnetoòptic. S'han utilitzat pel·lícules primes d'aliatge metàl·lic de transició de terbi i metall amorf per fabricar discs magnetoòptics d'alt rendiment.

(4) Fabricació de vidre magnetoòptic. El vidre rotatori de Faraday que conté terbi és un material clau per a la fabricació de rotadors, aïllants i circuladors en tecnologia làser.

(5) El desenvolupament i la capacitació de l'aliatge ferromagnetoestrictiu de terbi-disprosi (TerFenol) ha obert noves aplicacions per al terbi.

Per a l'agricultura i la ramaderia

Terres raresterbipot millorar la qualitat dels cultius i augmentar la taxa de fotosíntesi dins d'un cert rang de concentració. Els complexos de terbi tenen una alta activitat biològica, i els complexos ternaris deterbi, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, tenen bons efectes antibacterians i bactericides sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli, amb propietats antibacterianes d'ampli espectre. L'estudi d'aquests complexos proporciona una nova direcció de recerca per als fàrmacs bactericides moderns.

S'utilitza en el camp de la luminescència

Els materials optoelectrònics moderns requereixen l'ús de tres colors bàsics de fòsfor, és a dir, vermell, verd i blau, que es poden utilitzar per sintetitzar diversos colors. I el terbi és un component indispensable en moltes pols fluorescents verdes d'alta qualitat. Si el naixement de la pols fluorescent vermella per a televisió en color de terres rares ha estimulat la demanda deitriieuropi, aleshores l'aplicació i el desenvolupament del terbi s'han promogut mitjançant la pols fluorescent verda de tres colors primaris de terres rares per a làmpades. A principis dels anys vuitanta, Philips va inventar la primera làmpada fluorescent compacta d'estalvi d'energia del món i la va promoure ràpidament a nivell mundial. Els ions Tb3+ poden emetre llum verda amb una longitud d'ona de 545 nm, i gairebé totes les pols fluorescents verdes de terres rares utilitzenterbi, com a activador.

La pols fluorescent verda utilitzada per als tubs de raigs catòdics (CRT) de televisió en color sempre s'ha basat principalment en sulfur de zinc barat i eficient, però la pols de terbi sempre s'ha utilitzat com a pols verda de televisió en color de projecció, com ara Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ i LaOBr: Tb3+. Amb el desenvolupament de la televisió d'alta definició de pantalla gran (HDTV), també s'estan desenvolupant pols fluorescents verdes d'alt rendiment per a CRT. Per exemple, s'ha desenvolupat a l'estranger una pols fluorescent verda híbrida, que consisteix en Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, que tenen una excel·lent eficiència de luminescència a alta densitat de corrent.

La pols fluorescent de raigs X tradicional és el tungstat de calci. Als anys 70 i 80, es van desenvolupar pols fluorescents de terres rares per a pantalles de sensibilització, com araterbi,òxid de sulfur de lantà activat, òxid de bromur de lantà activat per terbi (per a pantalles verdes) i òxid de sulfur d'itri activat per terbi. En comparació amb el tungstat de calci, la pols fluorescent de terres rares pot reduir el temps d'irradiació de raigs X per als pacients en un 80%, millorar la resolució de les pel·lícules de raigs X, allargar la vida útil dels tubs de raigs X i reduir el consum d'energia. El terbi també s'utilitza com a activador de pols fluorescent per a pantalles de millora de raigs X mèdiques, cosa que pot millorar considerablement la sensibilitat de la conversió de raigs X en imatges òptiques, millorar la claredat de les pel·lícules de raigs X i reduir considerablement la dosi d'exposició als raigs X al cos humà (en més d'un 50%).

Terbitambé s'utilitza com a activador en el fòsfor LED blanc excitat per llum blava per a la nova il·luminació de semiconductors. Es pot utilitzar per produir fòsfors de cristall òptic magnetoelèctric d'alumini i terbi, utilitzant díodes emissors de llum blava com a fonts de llum d'excitació, i la fluorescència generada es barreja amb la llum d'excitació per produir llum blanca pura.

Els materials electroluminescents fets de terbi inclouen principalment pols fluorescent verda de sulfur de zinc ambterbicom a activador. Sota irradiació ultraviolada, els complexos orgànics de terbi poden emetre una forta fluorescència verda i es poden utilitzar com a materials electroluminescents de pel·lícula fina. Tot i que s'han fet progressos significatius en l'estudi deterres raresPel·lícules primes electroluminescents complexes orgàniques, encara hi ha una certa diferència pel que fa a la practicitat, i la investigació sobre pel·lícules primes electroluminescents complexes orgàniques de terres rares i dispositius encara està en profunditat.

Les característiques de fluorescència del terbi també s'utilitzen com a sondes de fluorescència. La interacció entre el complex d'ofloxacina terbi (Tb3+) i l'àcid desoxiribonucleic (ADN) es va estudiar mitjançant espectres de fluorescència i absorció, com ara la sonda de fluorescència d'ofloxacina terbi (Tb3+). Els resultats van mostrar que la sonda d'ofloxacina Tb3+ pot formar un solc d'unió amb molècules d'ADN, i l'àcid desoxiribonucleic pot augmentar significativament la fluorescència del sistema d'ofloxacina Tb3+. A partir d'aquest canvi, es pot determinar l'àcid desoxiribonucleic.

Per a materials magnetoòptics

Els materials amb efecte Faraday, també coneguts com a materials magnetoòptics, s'utilitzen àmpliament en làsers i altres dispositius òptics. Hi ha dos tipus comuns de materials magnetoòptics: cristalls magnetoòptics i vidre magnetoòptic. Entre ells, els cristalls magnetoòptics (com el granat de ferro i itri i el granat de gal·li i terbi) tenen els avantatges d'una freqüència de funcionament ajustable i una alta estabilitat tèrmica, però són cars i difícils de fabricar. A més, molts cristalls magnetoòptics amb angles de rotació de Faraday elevats tenen una alta absorció en el rang d'ona curta, cosa que limita el seu ús. En comparació amb els cristalls magnetoòptics, el vidre magnetoòptic té l'avantatge d'una alta transmitància i és fàcil de convertir en blocs o fibres grans. Actualment, els vidres magnetoòptics amb un alt efecte Faraday són principalment vidres dopats amb ions de terres rares.

S'utilitza per a materials d'emmagatzematge magnetoòptic

En els darrers anys, amb el ràpid desenvolupament de la multimèdia i l'automatització d'oficina, la demanda de nous discs magnètics d'alta capacitat ha anat augmentant. S'han utilitzat pel·lícules primes d'aliatge de metall de transició de terbi amorf per fabricar discs magnetoòptics d'alt rendiment. Entre elles, la pel·lícula prima d'aliatge TbFeCo té el millor rendiment. S'han produït materials magnetoòptics basats en terbi a gran escala, i els discs magnetoòptics fets amb ells s'utilitzen com a components d'emmagatzematge informàtic, amb una capacitat d'emmagatzematge que augmenta entre 10 i 15 vegades. Tenen els avantatges d'una gran capacitat i una velocitat d'accés ràpida, i es poden netejar i recobrir desenes de milers de vegades quan s'utilitzen per a discs òptics d'alta densitat. Són materials importants en la tecnologia d'emmagatzematge d'informació electrònica. El material magnetoòptic més utilitzat en les bandes visible i infraroja propera és el monocristall de granat de terbi i gal·li (TGG), que és el millor material magnetoòptic per fabricar rotadors i aïllants de Faraday.

Per a vidre magnetoòptic

El vidre magnetoòptic de Faraday té bona transparència i isotropia a les regions visible i infraroja, i pot formar diverses formes complexes. És fàcil de produir productes de grans dimensions i es pot estirar en fibres òptiques. Per tant, té àmplies perspectives d'aplicació en dispositius magnetoòptics com ara aïllants magnetoòptics, moduladors magnetoòptics i sensors de corrent de fibra òptica. A causa del seu gran moment magnètic i petit coeficient d'absorció en el rang visible i infraroig, els ions Tb3+ s'han convertit en ions de terres rares d'ús comú en vidres magnetoòptics.

Aliatge ferromagnetostrictiu de terbi i disprosi

A finals del segle XX, amb l'aprofundiment continu de la revolució tecnològica mundial, van sorgir ràpidament nous materials d'aplicació de terres rares. El 1984, la Universitat Estatal d'Iowa, el Laboratori Ames del Departament d'Energia dels EUA i el Centre de Recerca d'Armes de Superfície de la Marina dels EUA (d'on provenia el personal principal de la posteriorment establerta Edge Technology Corporation (ET REMA)) van col·laborar per desenvolupar un nou material intel·ligent de terres rares, concretament un material magnetostrictiu ferromagnètic de terbi disprosi. Aquest nou material intel·ligent té excel·lents característiques per convertir ràpidament l'energia elèctrica en energia mecànica. Els transductors subaquàtics i electroacústics fets d'aquest material magnetostrictiu gegant s'han configurat amb èxit en equips navals, altaveus de detecció de pous de petroli, sistemes de control de soroll i vibracions, i sistemes d'exploració oceànica i comunicació subterrània. Per tant, tan bon punt va néixer el material magnetostrictiu gegant de terbi disprosi ferro, va rebre una àmplia atenció dels països industrialitzats de tot el món. Edge Technologies als Estats Units va començar a produir materials magnetostrictius gegants de terbi disprosi ferro el 1989 i els va anomenar Terfenol D. Posteriorment, Suècia, Japó, Rússia, el Regne Unit i Austràlia també van desenvolupar materials magnetostrictius gegants de terbi disprosi ferro.

Des de la història del desenvolupament d'aquest material als Estats Units, tant la invenció del material com les seves primeres aplicacions monopolístiques estan directament relacionades amb la indústria militar (com ara la marina). Tot i que els departaments militars i de defensa de la Xina estan enfortint gradualment la seva comprensió d'aquest material. Tanmateix, amb la millora significativa de la força nacional integral de la Xina, la demanda d'aconseguir una estratègia competitiva militar del segle XXI i millorar els nivells d'equipament serà definitivament molt urgent. Per tant, l'ús generalitzat de materials magnetostrictius gegants de terbi disprosi ferro per part dels departaments militars i de defensa nacional serà una necessitat històrica.

En resum, les moltes propietats excel·lents deterbiel converteixen en un membre indispensable de molts materials funcionals i en una posició irreemplaçable en alguns camps d'aplicació. Tanmateix, a causa de l'alt preu del terbi, s'ha estat estudiant com evitar i minimitzar l'ús del terbi per tal de reduir els costos de producció. Per exemple, els materials magnetoòptics de terres rares també haurien d'utilitzar materials de baix cost.ferro disprosicobalt o gadolini terbi cobalt tant com sigui possible; Intenteu reduir el contingut de terbi a la pols fluorescent verda que s'ha d'utilitzar. El preu s'ha convertit en un factor important que restringeix l'ús generalitzat deterbiPerò molts materials funcionals no poden prescindir-ne, per la qual cosa hem de seguir el principi de "fer servir bon acer a la fulla" i intentar estalviar l'ús deterbitant com sigui possible.