Тербійвідноситься до категорії важкихрідкісні землі, з низьким вмістом у земній корі лише 1,1 проміле.На оксид тербію припадає 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 загальної кількості рідкісноземельних елементів, що вказує на приналежність до «благородної» категорії рідкоземельних елементів.Протягом понад 100 років з моменту відкриття тербію в 1843 році його дефіцит і цінність тривалий час перешкоджали його практичному застосуванню.Лише за останні 30 років тербій продемонстрував свій унікальний талант.
Відкриття історії
Шведський хімік Карл Густав Мозандер відкрив тербій у 1843 році. Він знайшов його домішки вІтрій(ІІІ) оксидіY2O3.Ітрій названий на честь села Іттербю у Швеції.До появи технології іонного обміну тербій не виділявся в чистому вигляді.
Мосант вперше розділив оксид ітрію (III) на три частини, усі названі на честь руд: оксид ітрію (III),Ербій(ІІІ) оксиді 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 безбарвною частиною розчину.Нерозчинний оксид цього елемента вважається коричневим.
Пізніші працівники навряд чи могли помітити крихітний безбарвний «оксид ербію (III), але розчинну рожеву частину не можна було ігнорувати.Дискусії про існування оксиду Ербію (III) виникали неодноразово.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 бісульфат натрію або сульфат калію, приймаютьЦерій(IV) оксидз оксиду ітрію (III) і ненавмисно перетворюють тербій на осад, що містить церій.Лише близько 1% початкового оксиду ітрію (III), відомого зараз як «тербій», достатньо, щоб передати жовтувате забарвлення оксиду ітрію (III).Тому тербій є вторинним компонентом, який спочатку містив його, і контролюється його безпосередніми сусідами, гадолінієм і диспрозієм.
Згодом, коли з цієї суміші виділяли інші рідкоземельні елементи, незалежно від пропорції оксиду, назва тербій зберігалася, поки, нарешті, не був отриманий коричневий оксид тербію 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
Електронна конфігурація:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Електронна конфігурація тербію [Xe] 6s24f9.Зазвичай можна видалити лише три електрони, перш ніж заряд ядра стане занадто великим для подальшої іонізації, але у випадку тербію напівзаповнений тербій дозволяє четвертому електрону додатково іонізуватись у присутності дуже сильних окислювачів, таких як газ фтору.
Тербій — це сріблясто-білий рідкоземельний метал з пластичністю, міцністю та м’якістю, який можна різати ножем.Температура плавлення 1360 ℃, температура кипіння 3123 ℃, щільність 8229 4кг/м3.У порівнянні з ранніми лантаноїдами він відносно стабільний на повітрі.Як дев'ятий елемент лантаноїдів, тербій є металом із сильною електрикою.Він реагує з водою з утворенням водню.
У природі тербій ніколи не був знайдений як вільний елемент, невелика кількість якого міститься у фосфоцерієвому торієвому піску та гадолініті.Тербій співіснує з іншими рідкоземельними елементами в монацитовому піску, із загалом вмістом тербію 0,03%.Іншими джерелами є ксенотайм і руди чорного рідкісного золота, обидві з яких є сумішшю оксидів і містять до 1% тербію.
застосування
Застосування тербію здебільшого стосується високотехнологічних галузей, які є технологічно і наукомісткими передовими проектами, а також проектами зі значними економічними вигодами, з привабливими перспективами розвитку.
Основні сфери застосування включають:
(1) Використовується у формі змішаних рідкоземельних елементів.Наприклад, його використовують як рідкоземельні сполуки добрива та кормової добавки 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.А тербій є незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків.
(3) Використовується як магнітооптичний запам'ятовуючий матеріал.Тонкі плівки зі сплаву аморфного металу 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
Рідкоземельний тербій може покращити якість посівів і збільшити швидкість фотосинтезу в певному діапазоні концентрацій.Комплекси тербію мають високу біологічну активність.Потрійні комплекси тербію Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O мають гарну антибактеріальну та бактерицидну дію на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis та Escherichia coli.Мають широкий антибактеріальний спектр.Вивчення таких 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 червоного флуоресцентного порошку для телевізорів стимулювало попит на ітрій та європій, то 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 люмінофори використовують тербій як активатор.
Зелений люмінофор для кольорових телевізійних електронно-променевих трубок (CRT) завжди базувався на сульфіді цинку, який є дешевим і ефективним, але порошок тербію завжди використовувався як зелений люмінофор для проекційних кольорових телевізорів, включаючи 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 люмінофори для підсилення екранів, такі як тербій, активований сіркою оксид лантану, тербій, активований бромом, оксид лантану (для зелених екранів), тербій, активований сіркою, оксид ітрію (III) тощо. 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%).
Тербій також використовується як активатор у білому світлодіодному люмінофорі, що збуджується синім світлом для нового напівпровідникового освітлення.Його можна використовувати для виробництва магнітооптичних кристалів тербій-алюміній, 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 фосфор сульфіду цинку з тербієм як активатором.Під ультрафіолетовим опроміненням органічні комплекси тербію можуть випромінювати сильну зелену флуоресценцію і можуть використовуватися як тонкоплівкові електролюмінесцентні матеріали.Незважаючи на значний прогрес у вивченні рідкоземельних органічних комплексних електролюмінесцентних тонких плівок, все ще існує певний відрив від практичності, і дослідження рідкоземельних органічних комплексних електролюмінесцентних тонких плівок і пристроїв все ще знаходяться в глибині.
Флуоресцентні характеристики тербію також використовуються як флуоресцентні зонди.Наприклад, флуоресцентний зонд Ofloxacin terbium (Tb3+) використовувався для вивчення взаємодії між комплексом Ofloxacin terbium (Tb3+) і ДНК (ДНК) за спектром флуоресценції та спектром поглинання, що вказує на те, що зонд Ofloxacin Tb3+ може утворювати борозенку, зв’язуючись із молекулами ДНК, і ДНК може значно посилити флуоресценцію системи Ofloxacin Tb3+.За цією зміною 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 ітрієвий 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 магнітооптичних кристалів з великим кутом 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.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 виготовляти великогабаритні вироби, і його 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 століття, з поглибленням світової науково-технічної революції, швидко з’являються нові рідкоземельні прикладні матеріали.У 1984 році Університет штату Айова США, Лабораторія Еймса Міністерства енергетики Сполучених Штатів Америки та Дослідницький центр надводної зброї ВМС США (основний персонал створеної пізніше American Edge Technology Company (ET REMA) походив з the center) спільно розробили новий рідкоземельний розумний матеріал, а саме тербій диспрозій залізо гігантський магнітострикційний матеріал.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 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 після того, як всеохоплююча національна потужність Китаю значно зросла, вимоги до реалізації військової конкурентної стратегії в 21 столітті та покращення рівня оснащення, безумовно, будуть дуже актуальними.Таким чином, широке використання гігантських магнітострикційних матеріалів тербій диспрозій залізо військовими та національними відомствами оборони буде історичною необхідністю.
Одним словом, багато чудових властивостей тербію роблять 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 максимально використовувати недорогий диспрозій, залізо, кобальт або гадоліній, тербій, кобальт;Спробуйте зменшити вміст тербію в зеленому флуоресцентному порошку, який потрібно використовувати.Ціна стала важливим фактором, що обмежує широке використання тербію.Але багато функціональних матеріалів без нього не обходяться, тому ми повинні дотримуватися принципу «використовувати хорошу сталь на лезі» і намагатися максимально економити використання тербію.
Час публікації: 05 липня 2023 р