Тербійналежить до категорії важких рідкісноземельних елементів з низьким вмістом у земній корі лише 1,1 ppm.Тербій оксидстановить менше 0,01% від загальної кількості рідкоземельних елементів. Навіть у важкій рідкісноземельній руді з високим вмістом іонів ітрію з найвищим вмістом тербію вміст тербію становить лише 1,1-1,2% від загальногорідкоземельні, що вказує на його приналежність до «благородної» категоріїрідкоземельніелементів. Протягом понад 100 років з моменту відкриття тербію в 1843 році його дефіцит і цінність тривалий час перешкоджали його практичному застосуванню. Це лише за останні 30 роківтербійпроявив свій унікальний талант.
Відкриття історії
Шведський хімік Карл Густав Мозандер відкрив тербій у 1843 році. Він виявив його домішки воксид ітріюіY2O3. Ітрійназвано на честь села Ітбю у Швеції. До появи технології іонного обміну тербій не виділявся в чистому вигляді.
Моссандер спочатку розділивоксид ітріюна три частини, всі названі на честь руд:оксид ітрію, оксид ербію, іоксид тербію. Тербій оксидспочатку складався з рожевої частини через елемент, який зараз відомий якербій. Оксид ербію(включаючи те, що ми зараз називаємо тербієм) спочатку був безбарвною частиною розчину. Нерозчинний оксид цього елемента вважається коричневим.
Пізніше працівникам було важко спостерігати крихітні безбарвні "оксид ербію“, але не можна ігнорувати розчинну рожеву частину. Дискусія про існуванняоксид ербіюнеодноразово виникала. У хаосі оригінальна назва була змінена, а обмін іменами застряг, тому рожеву частину врешті-решт згадали як розчин, що містить ербій (у розчині він був рожевим). Зараз вважається, що працівники, які використовують дисульфід натрію або сульфат калію для видалення діоксиду церію зоксид ітріюненавмисно повернутитербійв осад, що містить церій. В даний час відомий як "тербій», лише близько 1% від оригіналуоксид ітріюприсутній, але цього достатньо для передачі світло-жовтого кольоруоксид ітрію. томутербійє вторинним компонентом, який спочатку містив його, і він контролюється своїми безпосередніми сусідами,гадолінійідиспрозій.
Потім, будь-коли іншерідкоземельніелементи були виділені з цієї суміші, незалежно від пропорції оксиду, назва тербій зберігалася до тих пір, поки, нарешті, не утворився коричневий оксидтербійотримано в чистому вигляді. Дослідники в 19 столітті не використовували технологію ультрафіолетової флуоресценції для спостереження яскраво-жовтих або зелених вузликів (III), що полегшувало розпізнавання тербію в твердих сумішах або розчинах.
Електронна конфігурація
Електронний макет:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Електронне розташуваннятербійє [Xe] 6s24f9. Зазвичай лише три електрони можуть бути видалені, перш ніж заряд ядра стане занадто великим для подальшої іонізації. Однак у випадку зтербій, напівнаповненийтербійдозволяє подальшу іонізацію четвертого електрона в присутності дуже сильного окислювача, такого як газоподібний фтор.
метал
Тербійце сріблясто-білий рідкоземельний метал з пластичністю, міцністю та м’якістю, який можна різати ножем. Температура плавлення 1360 ℃, температура кипіння 3123 ℃, щільність 8229 4 кг/м3. У порівнянні з ранніми елементами лантаноїдів, він відносно стабільний у повітрі. Дев'ятий елемент лантаноїдів, тербій, є високозарядженим металом, який реагує з водою з утворенням водню.
в природі,тербійніколи не було виявлено, що він є вільним елементом, присутнім у невеликих кількостях у фосфористому церієвому торієвому піску та кремнієво-берилієвій ітрієвій руді.Тербійспівіснує з іншими рідкоземельними елементами в монацитовому піску із загалом 0,03% вмістом тербію. Інші джерела включають фосфат ітрію та рідкоземельне золото, обидва з яких є сумішшю оксидів, що містять до 1% тербію.
застосування
Застосуваннятербійздебільшого охоплює високотехнологічні галузі, які є технологічно і наукомісткими передовими проектами, а також проекти зі значними економічними вигодами, з привабливими перспективами розвитку.
Основні сфери застосування включають:
(1) Використовується у формі змішаних рідкоземельних елементів. Наприклад, він використовується як рідкоземельний комплекс добрива 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 можуть бути використані для синтезу різних кольорів. Ітербійє незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків.
(3) Використовується як магнітооптичний запам'ятовуючий матеріал. Тонкі плівки зі сплаву перехідного металу аморфного тербію використовувалися для виготовлення високоефективних магнітооптичних дисків.
(4) Виробництво магнітооптичного скла. Обертове скло Фарадея, що містить тербій, є ключовим матеріалом для виготовлення ротаторів, ізоляторів і циркуляційних насосів у лазерній технології.
(5) Розробка та розробка тербій-диспрозієвого феромагнітострикційного сплаву (TerFenol) відкрила нові сфери застосування тербію.
Для землеробства і тваринництва
Рідкісноземельнітербійможе покращити якість посівів і збільшити швидкість фотосинтезу в певному діапазоні концентрацій. Високу біологічну активність мають комплекси тербію, а потрійні комплекси отербій, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, мають гарну антибактеріальну та бактерицидну дію на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis та Escherichia coli, з широким спектром антибактеріальних властивостей. Вивчення цих комплексів відкриває новий напрямок досліджень сучасних бактерицидних препаратів.
Використовується в області люмінесценції
Сучасні оптоелектронні матеріали вимагають використання трьох основних кольорів люмінофорів, а саме червоного, зеленого та синього, які можуть бути використані для синтезу різних кольорів. А тербій є незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків. Якщо народження рідкоземельного кольорового телевізора червоного флуоресцентного порошку стимулювало попитітрійієвропій, потім застосуванню та розробці тербію сприяли рідкоземельні три основні кольори зеленого флуоресцентного порошку для ламп. На початку 1980-х компанія Philips винайшла першу в 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 рідкоземельні зелені флуоресцентні порошки використовуютьтербій, як активатор.
Зелений флуоресцентний порошок, який використовується для кольорових телевізійних електронно-променевих трубок (CRT), завжди в основному базувався на дешевому та ефективному сульфіді цинку, але порошок тербію завжди використовувався як зелений порошок проекційного кольорового телевізора, наприклад Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ і LaOBr: Tb3+. З розвитком телебачення високої чіткості з великим екраном (HDTV) також розробляються високоефективні зелені флуоресцентні порошки для ЕПТ. Наприклад, за кордоном розроблено гібридний зелений флуоресцентний порошок, що складається з Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ і Y2SiO5: Tb3+, які мають чудову ефективність люмінесценції при високій щільності струму.
Традиційним рентгенівським флуоресцентним порошком є вольфрамат кальцію. У 1970-х і 1980-х роках були розроблені рідкоземельні флуоресцентні порошки для екранів сенсибілізації, такі яктербій, активований оксид лантану сульфіду, активований тербієм оксид броміду лантану (для зелених екранів) і активований тербієм оксид сульфіду ітрію. У порівнянні з вольфраматом кальцію рідкоземельний флуоресцентний порошок може скоротити час рентгенівського опромінення пацієнтів на 80%, покращити роздільну здатність рентгенівських плівок, подовжити термін служби рентгенівських трубок і зменшити споживання енергії. Тербій також використовується як активатор флуоресцентного порошку для медичних екранів для покращення рентгенівського випромінювання, що може значно підвищити чутливість перетворення рентгенівського випромінювання в оптичні зображення, підвищити чіткість рентгенівських плівок і значно зменшити дозу рентгенівського опромінення. променів на тіло людини (більш ніж на 50%).
Тербійтакож використовується як активатор у білому світлодіодному люмінофорі, що збуджується синім світлом для нового напівпровідникового освітлення. Він може бути використаний для виробництва тербієвих алюмінієвих магнітооптичних кристалічних люмінофорів, використовуючи сині світлодіоди як джерела світла збудження, а генерована флуоресценція змішується зі світлом збудження для отримання чистого білого світла.
Електролюмінесцентні матеріали, виготовлені з тербію, в основному включають зелений флуоресцентний порошок сульфіду цинкутербійяк активатор. Під ультрафіолетовим опроміненням органічні комплекси тербію можуть випромінювати сильну зелену флуоресценцію і можуть використовуватися як тонкоплівкові електролюмінесцентні матеріали. Хоча в дослідженні досягнуто значних успіхіврідкоземельніорганічних комплексних електролюмінесцентних тонких плівок, все ще існує певний відрив від практичності, і дослідження рідкоземельних органічних комплексних електролюмінесцентних тонких плівок і пристроїв все ще поглиблені.
Флуоресцентні характеристики тербію також використовуються як флуоресцентні зонди. Взаємодія між комплексом офлоксацин тербію (Tb3+) і дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК) вивчали за допомогою спектрів флуоресценції та поглинання, таких як флуоресцентний зонд офлоксацин тербію (Tb3+). Результати показали, що зонд офлоксацину Tb3+ може утворювати борозенку, зв’язуючись із молекулами ДНК, а дезоксирибонуклеїнова кислота може значно посилити флуоресценцію системи офлоксацину Tb3+. За цією зміною 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 ітрій-залізний гранат і тербій-галієвий гранат) мають переваги регульованої робочої частоти та високої термічної стабільності, але вони дорогі та складні у виготовленні. Крім того, багато магнітооптичні кристали з великими кутами повороту Фарадея мають високе поглинання в короткохвильовому діапазоні, що обмежує їх використання. Порівняно з магнітооптичними кристалами, магнітооптичне скло має перевагу високого коефіцієнта пропускання та його легко виготовляти у великі блоки або волокна. В даний час магнітооптичні скла з високим ефектом Фарадея - це переважно скла, леговані рідкоземельними іонами.
Використовується для магнітооптичних матеріалів для зберігання
Останніми роками з бурхливим розвитком мультимедіа та офісної автоматизації зростає попит на нові магнітні диски великої ємності. Тонкі плівки зі сплаву аморфного металу тербію використовувалися для виготовлення високоефективних магнітооптичних дисків. Серед них найкращі характеристики має тонка плівка сплаву TbFeCo. Магнітооптичні матеріали на основі тербію виробляються у великих масштабах, і виготовлені з них магнітооптичні диски використовуються як компоненти комп’ютерної пам’яті, ємність якої збільшена в 10-15 разів. Вони мають такі переваги, як велика ємність і висока швидкість доступу, і їх можна стирати та покривати десятки тисяч разів, якщо використовувати для оптичних дисків високої щільності. Вони є важливими матеріалами в технології зберігання електронної інформації. Найбільш часто використовуваним магнітооптичним матеріалом у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах є монокристал тербій-галієвого гранату (TGG), який є найкращим магнітооптичним матеріалом для виготовлення ротаторів і ізоляторів Фарадея.
Для магнітооптичного скла
Магнітооптичне скло Фарадея має хорошу прозорість та ізотропію у видимій та інфрачервоній областях і може формувати різні складні форми. Його легко виробляти великогабаритні вироби та можна витягнути в оптичні волокна. Тому він 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 рідкоземельними іонами в магнітооптичних стеклах.
Тербій диспрозій феромагнітострикційний сплав
Наприкінці 20-го століття, з постійним поглибленням світової технологічної революції, швидко з’являлися нові рідкоземельні матеріали. У 1984 році Університет штату Айова, лабораторія Еймса Міністерства енергетики США та Дослідницький центр надводної зброї ВМС США (звідки походив основний персонал пізніше створеної Edge Technology Corporation (ET REMA)) співпрацювали для розробки нового рідкісного земний інтелектуальний матеріал, а саме тербій диспрозій феромагнітний магнітострикційний матеріал. Цей новий інтелектуальний матеріал має відмінні характеристики швидкого перетворення електричної енергії в механічну. Підводні та електроакустичні перетворювачі, виготовлені з цього гігантського магнітострикційного матеріалу, були успішно сконфігуровані у військово-морському обладнанні, гучномовцях виявлення нафтових свердловин, системах контролю шуму та вібрації, а також системах дослідження океану та підземних комунікаційних системах. Тому, як тільки народився гігантський магнітострикційний матеріал тербій диспрозій залізо, він отримав широку увагу промислово розвинених країн у всьому світі. Компанія Edge Technologies у Сполучених Штатах почала виробляти гігантські магнітострикційні матеріали тербій диспрозій залізо в 1989 році та назвала їх Terfenol D. Згодом Швеція, Японія, Росія, Великобританія та Австралія також розробили гігантські магнітострикційні матеріали тербій диспрозій залізо.
З історії розробки цього матеріалу в Сполучених Штатах як винайдення матеріалу, так і його перші монопольні застосування безпосередньо пов’язані з військовою промисловістю (наприклад, військово-морським флотом). Хоча військове та оборонне відомства Китаю поступово зміцнюють своє розуміння цього матеріалу. Однак із значним посиленням всеосяжної національної потужності Китаю попит на досягнення військової конкурентоспроможної стратегії 21 століття та покращення рівня оснащення безперечно буде дуже актуальним. Таким чином, широке використання гігантських магнітострикційних матеріалів тербій диспрозій залізо військовими та національними відомствами оборони буде історичною необхідністю.
Одним словом, багато чудових властивостейтербійроблять його незамінним елементом багатьох функціональних матеріалів і незамінним місцем у деяких сферах застосування. Однак через високу ціну на тербій люди вивчали, як уникнути та мінімізувати використання тербію, щоб зменшити витрати на виробництво. Наприклад, рідкоземельні магнітооптичні матеріали також повинні використовуватися недорогимидиспрозієве залізокобальт або гадоліній тербій кобальт якомога більше; Спробуйте зменшити вміст тербію в зеленому флуоресцентному порошку, який потрібно використовувати. Ціна стала важливим фактором, що обмежує широке використаннятербій. Але багато функціональних матеріалів без нього не обходяться, тому ми повинні дотримуватися принципу «використовувати хорошу сталь на лезі» і намагатися економити використаннятербійякомога більше.
Час публікації: 25 жовтня 2023 р