Тербійналежить до категорії важких рідкісноземельних елементів, з низькою кількістю в земній корі, що становить лише 1,1 ppm.Оксид тербіюстановить менше 0,01% від загальної кількості рідкісноземельних елементів. Навіть у важкій рідкісноземельній руді з високим вмістом іонів ітрію та найвищим вмістом тербію вміст тербію становить лише 1,1-1,2% від загальної кількостірідкісноземельні, що вказує на його належність до «благородної» категоріїрідкісноземельніелементи. Протягом понад 100 років з моменту відкриття тербію в 1843 році його дефіцит та цінність довго перешкоджали його практичному застосуванню. Лише за останні 30 роківтербійпродемонстрував свій унікальний талант.
Відкриття історії
Шведський хімік Карл Густав Мосандер відкрив тербій у 1843 році. Він виявив його домішки воксид ітріюіY2O3. Ітрійназваний на честь села Ітбі у Швеції. До появи технології іонного обміну тербій не виділяли в чистому вигляді.
Моссандр вперше розділивсяоксид ітріюна три частини, всі названі на честь руд:оксид ітрію, оксид ербію, таоксид тербію. Оксид тербіюспочатку складався з рожевої частини, завдяки елементу, відомому зараз якербій. Оксид ербію(включаючи те, що ми зараз називаємо тербієм) спочатку був безбарвною частиною в розчині. Нерозчинний оксид цього елемента вважається коричневим.
Пізніше робітникам було важко спостерігати крихітні безбарвні «оксид ербію«але розчинну рожеву частину не можна ігнорувати. Дискусія щодо існуванняоксид ербіюнеодноразово з'являлося. У хаосі початкову назву було перевернуто, і обмін назвами застряг, тому рожеву частину зрештою згадали як розчин, що містить ербій (у розчині вона була рожевою). Зараз вважається, що робітники, які використовують дисульфід натрію або сульфат калію для видалення діоксиду церію зоксид ітріюненавмисно повернутитербійу осади, що містять церій. Наразі відомий як «тербій', лише близько 1% від оригіналуоксид ітріюприсутній, але цього достатньо для передачі світло-жовтого кольоруоксид ітріюОтже,тербійє вторинним компонентом, який спочатку містив його, і він контролюється своїми безпосередніми сусідами,гадолінійідиспрозій.
Після цього, коли іншірідкісноземельніелементи були відокремлені з цієї суміші, незалежно від частки оксиду, назва тербію зберігалася до тих пір, поки нарешті не з'явився коричневий оксидтербійбуло отримано в чистому вигляді. Дослідники 19 століття 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 верстка:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Електронна композиціятербійє [Xe] 6s24f9. Зазвичай, лише три електрони можуть бути видалені, перш ніж заряд ядра стане занадто великим для подальшої іонізації. Однак у випадкутербій, напівзаповненийтербійдозволяє подальшу іонізацію четвертого електрона в присутності дуже сильного окисника, такого як газоподібний фтор.
Метал
Тербій— сріблясто-білий рідкоземельний метал з 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 стабільний на повітрі. Дев'ятий елемент лантаноїдів, тербій, — це високозаряджений метал, який реагує з водою з утворенням газоподібного водню.
У природі,тербійніколи не був виявлений як вільний елемент, присутній у невеликих кількостях у фосфористо-церієво-торієвому піску та кремнієво-берилієво-ітрієвій руді.Тербійспівіснує з іншими рідкоземельними елементами в монацитовому піску, із вмістом тербію зазвичай 0,03%. Інші джерела включають фосфат ітрію та рідкоземельне золото, обидва з яких є сумішами оксидів, що містять до 1% тербію.
Застосування
Застосуваннятербійздебільшого 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 у 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 такожтербійє 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
Рідкісноземельнітербійможе покращити якість сільськогосподарських культур та збільшити швидкість фотосинтезу в певному діапазоні концентрацій. Комплекси тербію мають високу біологічну активність, а потрійні комплекситербій, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, мають хороший антибактеріальний та бактерицидний вплив на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis та Escherichia coli, з широким спектром антибактеріальних властивостей. Вивчення цих 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 рідкоземельних кольорових телевізорів з червоним флуоресцентним порошком стимулювала попит на...ітрійієвропію, тоді застосування та розвиток тербію були сприяні завдяки трьом основним кольорам зеленого флуоресцентного порошку рідкоземельних елементів 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 рідкісноземельні зелені флуоресцентні порошки використовуютьтербій, як активатор.
Зелений флуоресцентний порошок, що використовується для електронно-променевих трубок (ЕПТ) кольорових телевізорів, завжди базувався переважно на дешевому та ефективному сульфіді цинку, але порошок тербію завжди використовувався як зелений порошок для проекційних кольорових телевізорів, такий як 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 розроблено 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 для рентгенівського флуоресцентного випромінювання є вольфрамат кальцію. У 1970-х і 1980-х роках були розроблені флуоресцентні порошки рідкоземельних елементів для сенсибілізаційних екранів, такі яктербій,активований оксид сульфіду лантану, активований тербієм оксид броміду лантану (для зелених екранів) та активований тербієм оксид сульфіду ітрію. Порівняно з вольфраматом кальцію, флуоресцентний порошок рідкоземельних елементів 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 покращення 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%).
Тербійтакож використовується як активатор у білому світлодіодному люмінофорі, що збуджується синім світлом, для нового напівпровідникового освітлення. Його можна використовувати для виробництва тербієво-алюмінієвих магнетооптичних кристалолюмінофорів, використовуючи сині світлодіоди як джерела збуджувального світла, а згенерована флуоресценція змішується зі збуджувальним світлом для отримання чистого білого світла.
Електролюмінесцентні матеріали, виготовлені з тербію, в основному включають зелений флуоресцентний порошок сульфіду цинку зтербійяк активатор. Під дією ультрафіолетового опромінення органічні комплекси тербію можуть випромінювати сильну зелену флуоресценцію та можуть бути використані як тонкоплівкові електролюмінесцентні матеріали. Хоча у вивченні було досягнуто значного прогресурідкісноземельніорганічні складні електролюмінесцентні тонкі плівки, все ще існує певний розрив з практичністю, а дослідження рідкоземельних органічних складних електролюмінесцентних тонких плівок та пристроїв все ще поглиблені.
Флуоресцентні характеристики тербію також використовуються як флуоресцентні зонди. Взаємодію між комплексом офлоксацину-тербію (Tb3+) та дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК) вивчали за допомогою спектрів флуоресценції та поглинання, таких як флуоресцентний зонд офлоксацину-тербію (Tb3+). Результати показали, що зонд офлоксацину Tb3+ може утворювати канавку, зв'язуючись з молекулами ДНК, а дезоксирибонуклеїнова кислота може значно посилювати флуоресценцію системи офлоксацину Tb3+. На основі цієї зміни можна визначити дезоксирибонуклеїнову кислоту.
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 високими кутами 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. Тонкі 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 покривані 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 монокристал тербієво-галієвого гранату (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 постійним поглибленням світової технологічної революції, швидко з'явилися нові матеріали для застосування на основі рідкоземельних елементів. У 1984 році Університет штату Айова, Лабораторія Еймса Міністерства енергетики США та Дослідницький центр надводної зброї ВМС США (звідки вийшов основний персонал пізніше створеної Корпорації Edge Technology (ET REMA)) співпрацювали для розробки нового інтелектуального матеріалу для рідкоземельних елементів, а саме феромагнітного магнітострикційного матеріалу на основі тербію диспрозію. Цей новий інтелектуальний 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, зі значним зростанням всебічної національної могутності Китаю, потреба в досягненні військової конкурентоспроможної стратегії 21-го століття та покращенні рівня оснащення, безумовно, буде дуже актуальною. Тому широке використання гігантських магнітострикційних матеріалів на основі тербію диспрозію та заліза військовими та оборонними відомствами стане історичною необхідністю.
Коротше кажучи, численні чудові властивостітербійроблять його незамінним елементом багатьох функціональних матеріалів та займають незамінне місце в деяких сферах застосування. Однак через високу ціну на тербій, люди вивчають, як уникнути та мінімізувати використання тербію, щоб знизити виробничі витрати. Наприклад, для магнітооптичних матеріалів на основі рідкоземельних елементів також слід використовувати недорогі...диспрозієве залізокобальт або гадоліній тербій кобальт якомога більше; Намагайтеся зменшити вміст тербію в зеленому флуоресцентному порошку, який необхідно використовувати. Ціна стала важливим фактором, що обмежує широке використаннятербійАле багато функціональних матеріалів не можуть обійтися без нього, тому ми повинні дотримуватися принципу «використання якісної сталі на лезі» та намагатися заощадити використання...тербійякомога більше.
Час публікації: 25 жовтня 2023 р.