Тербійналежить до категорії важкихрідкісноземельні елементи, з низьким вмістом у земній корі — лише 1,1 ppm. Оксид тербію становить менше 0,01% від загальної кількості рідкісноземельних елементів. Навіть у важкій рідкісноземельній руді з високим вмістом ітрію та найвищим вмістом тербію вміст тербію становить лише 1,1-1,2% від загальної кількості рідкісноземельних елементів, що вказує на його приналежність до категорії «благородних» рідкісноземельних елементів. Протягом понад 100 років з моменту відкриття тербію в 1843 році його дефіцит та цінність довго перешкоджали його практичному застосуванню. Лише в останні 30 років тербій продемонстрував свій унікальний талант.
Відкриття історії
Шведський хімік Карл Густав Мосандер відкрив тербій у 1843 році. Він виявив його домішки вОксид ітрію(III)іY2O3Ітрій названий на честь села Іттербю у Швеції. До появи технології іонного обміну тербій не виділяли в чистому вигляді.
Мозант вперше розділив оксид ітрію(III) на три частини, всі з яких були названі на честь руд: оксид ітрію(III),Оксид ербію(III), і оксид тербію. Оксид тербію спочатку складався з рожевої частини, через елемент, який зараз відомий як ербій. «Оксид ербію(III)» (включаючи те, що ми зараз називаємо тербієм) спочатку був практично безбарвною частиною розчину. Нерозчинний оксид цього елемента вважається коричневим.
Пізніше робітники ледве могли спостерігати крихітний безбарвний «оксид ербію(III)», але розчинну рожеву частину не можна було ігнорувати. Дискусії щодо існування оксиду ербію(III) виникали неодноразово. У хаосі початкову назву було змінено, і обмін назвами застряг, тому рожеву частину зрештою згадали як розчин, що містить ербій (у розчині він був рожевим). Зараз вважається, що робітники, які використовують бісульфат натрію або сульфат калію, приймаютьОксид церію(IV)з оксиду ітрію(III) та ненавмисно перетворюють тербій на осад, що містить церій. Лише близько 1% початкового оксиду ітрію(III), відомого тепер як «тербій», достатньо, щоб оксид ітрію(III) набув жовтуватого кольору. Отже, тербій є вторинним компонентом, який спочатку містив його, і він контролюється своїми безпосередніми сусідами, гадолінієм та диспрозієм.
Згодом, щоразу, коли з цієї суміші виділяли інші рідкоземельні елементи, незалежно від частки оксиду, назва тербій зберігалася, доки нарешті не було отримано коричневий оксид тербію в чистому вигляді. Дослідники у 19 столітті не використовували технологію ультрафіолетової флуоресценції для спостереження яскраво-жовтих або зелених вузликів (III), що полегшувало розпізнавання тербію у твердих сумішах або розчинах.
Електронна конфігурація
Електронна конфігурація:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Електронна конфігурація тербію — [Xe] 6s24f9. Зазвичай, лише три електрони можуть бути видалені, перш ніж заряд ядра стане занадто великим для подальшої іонізації, але у випадку тербію, напівзаповнений тербій дозволяє четвертому електрону додатково іонізуватися в присутності дуже сильних окислювачів, таких як газоподібний фтор.
Тербій — це сріблясто-білий рідкоземельний метал, що володіє пластичністю, в'язкістю та м'якістю, який можна різати ножем. Температура плавлення 1360 ℃, температура кипіння 3123 ℃, густина 8229,4 кг/м3. Порівняно з ранніми лантаноїдами, він відносно стійкий на повітрі. Як дев'ятий елемент лантаноїдів, тербій — це метал із сильною електрикою. Він реагує з водою з утворенням водню.
У природі тербій ніколи не зустрічався як вільний елемент, невелика кількість якого міститься у фосфорноцерієво-торієвому піску та гадолініті. Тербій співіснує з іншими рідкісноземельними елементами в монацитовому піску, із вмістом тербію зазвичай 0,03%. Іншими джерелами є ксенотим та чорні рідкісноземельні руди, обидва з яких є сумішами оксидів і містять до 1% тербію.
Застосування
Застосування тербію здебільшого стосується високотехнологічних галузей, які є технологічно та наукоємними передовими проектами, а також проектами зі значними економічними вигодами та привабливими перспективами розвитку.
Основні сфери застосування включають:
(1) Використовується у вигляді суміші рідкоземельних елементів. Наприклад, використовується як рідкоземельне складне добриво та кормова добавка для сільського господарства.
(2) Активатор для зеленого порошку в трьох основних флуоресцентних порошках. Сучасні оптоелектронні матеріали вимагають використання трьох основних кольорів люмінофорів, а саме червоного, зеленого та синього, які можна використовувати для синтезу різних кольорів. А тербій є незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків.
(3) Використовується як магнітооптичний запам'ятовуючий матеріал. Тонкі плівки аморфного металотербієвого сплаву перехідних металів використовуються для виготовлення високопродуктивних магнітооптичних дисків.
(4) Виробництво магнетооптичного скла. Обертальне скло Фарадея, що містить тербій, є ключовим матеріалом для виробництва ротаторів, ізоляторів та циркуляторів у лазерній технології.
(5) Розробка та вдосконалення феромагнетострикційного сплаву тербію та диспрозію (TerFenol) відкрили нові можливості застосування тербію.
Для сільського господарства та тваринництва
Рідкісноземельний тербій може покращити якість сільськогосподарських культур та збільшити швидкість фотосинтезу в певному діапазоні концентрацій. Комплекси тербію мають високу біологічну активність. Потрійні комплекси тербію, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, мають хорошу антибактеріальну та бактерицидну дію на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis та Escherichia coli. Вони мають широкий антибактеріальний спектр. Вивчення таких комплексів відкриває новий напрямок досліджень для сучасних бактерицидних препаратів.
Використовується в галузі люмінесценції
Сучасні оптоелектронні матеріали вимагають використання трьох основних кольорів люмінофорів, а саме червоного, зеленого та синього, які можна використовувати для синтезу різних кольорів. А тербій є незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків. Якщо поява червоного флуоресцентного порошку кольорового телебачення стимулювала попит на ітрій та європій, то застосування та розвиток тербію були сприяні використанням трьох основних зелених флуоресцентних порошків для ламп. На початку 1980-х років компанія Philips винайшла першу у світі компактну енергозберігаючу люмінесцентну лампу та швидко просувала її по всьому світу. Іони Tb3+ можуть випромінювати зелене світло з довжиною хвилі 545 нм, і майже всі зелені люмінофори використовують тербій як активатор.
Зелений люмінофор для електронно-променевої трубки (ЕПТ) кольорових телевізорів завжди базувався на сульфіді цинку, який є дешевим та ефективним, але порошок тербію завжди використовувався як зелений люмінофор для проекційного кольорового телебачення, включаючи Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ та LaOBr ∶ Tb3+. З розвитком широкоекранного телебачення високої чіткості (HDTV) також розробляються високопродуктивні зелені флуоресцентні порошки для ЕПТ. Наприклад, за кордоном був розроблений гібридний зелений флуоресцентний порошок, що складається з Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ та Y2SiO5: Tb3+, які мають чудову ефективність люмінесценції при високій щільності струму.
Традиційним порошком рентгенівської флуоресценції є вольфрамат кальцію. У 1970-х та 1980-х роках були розроблені рідкоземельні люмінофори для посилення екранів, такі як оксид лантану, активований тербієм, оксид лантану, активований тербієм (для зелених екранів), оксид ітрію(III), активований тербієм, тощо. Порівняно з вольфраматом кальцію, рідкоземельний флуоресцентний порошок може скоротити час рентгенівського опромінення пацієнтів на 80%, покращити роздільну здатність рентгенівських плівок, подовжити термін служби рентгенівських трубок та зменшити споживання енергії. Тербій також використовується як активатор флуоресцентного порошку для медичних екранів для посилення рентгенівського випромінювання, що може значно покращити чутливість перетворення рентгенівських променів в оптичні зображення, покращити чіткість рентгенівських плівок та значно зменшити дозу рентгенівського опромінення на організм людини (більш ніж на 50%).
Тербій також використовується як активатор у білому світлодіодному люмінофорі, що збуджується синім світлом, для нового напівпровідникового освітлення. Його можна використовувати для виробництва тербій-алюмінієвих магнетооптичних кристалолюмінофорів, використовуючи сині світлодіоди як джерела збуджувального світла, а генерована флуоресценція змішується зі збуджувальним світлом для отримання чистого білого світла.
Електролюмінесцентні матеріали, виготовлені з тербію, в основному включають зелений люмінофор на основі сульфіду цинку з тербієм як активатором. Під дією ультрафіолетового випромінювання органічні комплекси тербію можуть випромінювати сильну зелену флуоресценцію та можуть бути використані як тонкоплівкові електролюмінесцентні матеріали. Хоча у вивченні електролюмінесцентних тонких плівок на основі рідкісноземельних органічних комплексів досягнуто значного прогресу, все ще існує певний розрив з практичним застосуванням, і дослідження електролюмінесцентних тонких плівок та пристроїв на основі рідкісноземельних органічних комплексів все ще йдуть глибоко.
Флуоресцентні характеристики тербію також використовуються як флуоресцентні зонди. Наприклад, флуоресцентний зонд офлоксацину тербію (Tb3+) був використаний для вивчення взаємодії між комплексом офлоксацину тербію (Tb3+) та ДНК (ДНК) за допомогою спектру флуоресценції та спектру поглинання, що вказує на те, що зонд офлоксацину Tb3+ може утворювати канавку зв'язування з молекулами ДНК, і ДНК може значно посилювати флуоресценцію системи офлоксацину Tb3+. На основі цієї зміни можна визначити ДНК.
Для магнітооптичних матеріалів
Матеріали з ефектом Фарадея, також відомі як магнітооптичні матеріали, широко використовуються в лазерах та інших оптичних пристроях. Існує два поширених типи магнітооптичних матеріалів: магнітооптичні кристали та магнітооптичне скло. Серед них магнітооптичні кристали (такі як ітрієво-залізний гранат та тербієво-галієвий гранат) мають переваги регульованої робочої частоти та високої термостабільності, але вони дорогі та складні у виробництві. Крім того, багато магнітооптичних кристалів з високим кутом обертання Фарадея мають високе поглинання в діапазоні коротких хвиль, що обмежує їх використання. Порівняно з магнітооптичними кристалами, магнітооптичне скло має перевагу високого коефіцієнта пропускання та його легко виготовляти у великі блоки або волокна. Наразі магнітооптичні стекла з високим ефектом Фарадея - це переважно стекла, леговані іонами рідкісноземельних елементів.
Використовується для магнітооптичних матеріалів для зберігання даних
В останні роки, зі швидким розвитком мультимедіа та офісної автоматизації, зростає попит на нові магнітні диски високої ємності. Плівки аморфних металотербієвих сплавів перехідних металів використовуються для виготовлення високопродуктивних магнітооптичних дисків. Серед них тонка плівка сплаву TbFeCo має найкращі характеристики. Магнітооптичні матеріали на основі тербію виробляються у великих масштабах, а магнітооптичні диски, виготовлені з них, використовуються як компоненти комп'ютерних накопичувачів, при цьому ємність накопичувача збільшується в 10-15 разів. Вони мають переваги великої ємності та швидкості доступу, а також можуть бути протирані та покриті десятки тисяч разів при використанні для оптичних дисків високої щільності. Вони є важливими матеріалами в технології електронного зберігання інформації. Найпоширенішим магнітооптичним матеріалом у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах є монокристалічний тербій-галієвий гранат (TGG), який є найкращим магнітооптичним матеріалом для виготовлення ротаторів та ізоляторів Фарадея.
Для магнітооптичного скла
Магнітооптичне скло Фарадея має добру прозорість та ізотропію у видимому та інфрачервоному діапазонах, і може формувати різноманітні складні форми. Його легко виготовляти великогабаритні вироби, і його можна витягувати в оптичні волокна. Тому воно має широкі перспективи застосування в магнітооптичних пристроях, таких як магнітооптичні ізолятори, магнітооптичні модулятори та волоконно-оптичні датчики струму. Завдяки великому магнітному моменту та малому коефіцієнту поглинання у видимому та інфрачервоному діапазонах, іони Tb3+ стали широко використовуваними рідкісноземельними іонами в магнітооптичному склі.
Феромагнетострикційний сплав тербію та диспрозію
Наприкінці 20-го століття, з поглибленням світової науково-технічної революції, стрімко з'являються нові прикладні матеріали на основі рідкоземельних елементів. У 1984 році Університет штату Айова, США, Лабораторія Еймса Міністерства енергетики США та Дослідницький центр надводної зброї ВМС США (основний персонал пізніше створеної компанії American Edge Technology Company (ET REMA) вийшов з цього центру) спільно розробили новий розумний матеріал на основі рідкоземельних елементів, а саме гігантський магнітострикційний матеріал на основі тербію диспрозію та заліза. Цей новий розумний матеріал має чудові характеристики швидкого перетворення електричної енергії в механічну. Підводні та електроакустичні перетворювачі, виготовлені з цього гігантського магнітострикційного матеріалу, були успішно налаштовані у військово-морському обладнанні, гучномовцях для виявлення нафтових свердловин, системах контролю шуму та вібрації, а також системах дослідження океану та підземного зв'язку. Тому, як тільки з'явився гігантський магнітострикційний матеріал на основі тербію диспрозію та заліза, він привернув широку увагу промислово розвинених країн усього світу. Компанія Edge Technologies у Сполучених Штатах почала виробляти гігантські магнітострикційні матеріали на основі тербію та диспрозію на основі заліза у 1989 році та назвала їх Terfenol D. Згодом Швеція, Японія, Росія, Велика Британія та Австралія також розробили гігантські магнітострикційні матеріали на основі тербію та диспрозію на основі заліза.
З історії розвитку цього матеріалу в Сполучених Штатах видно, що як винахід матеріалу, так і його раннє монопольне застосування безпосередньо пов'язані з військовою промисловістю (наприклад, флотом). Хоча військові та оборонні відомства Китаю поступово зміцнюють своє розуміння цього матеріалу. Однак, після значного зростання всеохоплюючої національної могутності Китаю, вимоги до реалізації військової конкурентної стратегії у 21 столітті та підвищення рівня оснащення, безумовно, будуть дуже актуальними. Тому широке використання гігантських магнітострикційних матеріалів на основі тербію диспрозію та заліза військовими та оборонними відомствами стане історичною необхідністю.
Коротше кажучи, численні чудові властивості тербію роблять його незамінним елементом багатьох функціональних матеріалів та займають незамінне місце в деяких сферах застосування. Однак через високу ціну тербію, люди вивчають, як уникнути та мінімізувати використання тербію, щоб знизити виробничі витрати. Наприклад, для виготовлення рідкоземельних магнітооптичних матеріалів також слід максимально використовувати недорогий диспрозій-залізо-кобальт або гадоліній-тербій-кобальт; намагайтеся зменшити вміст тербію в зеленому флуоресцентному порошку, який необхідно використовувати. Ціна стала важливим фактором, що обмежує широке використання тербію. Але багато функціональних матеріалів не можуть обійтися без нього, тому ми повинні дотримуватися принципу «використання якісної сталі на лезі» та намагатися максимально заощадити використання тербію.
Час публікації: 05 липня 2023 р.