Magisches Seltenerdelement: Terbium

Terbiumgehört zur Kategorie der schwerenSeltene Erden, mit einer geringen Häufigkeit in der Erdkruste von nur 1,1 ppm. Terbiumoxid macht weniger als 0,01 % der gesamten Seltenen Erden aus. Selbst im schweren Seltenerdmetallerz mit hohem Yttriumionengehalt und dem höchsten Terbiumgehalt macht der Terbiumgehalt nur 1,1–1,2 % des gesamten Seltenerdmetalls aus, was darauf hinweist, dass es zur „edlen“ Kategorie der Seltenerdelemente gehört. Seit der Entdeckung von Terbium im Jahr 1843 haben seine Knappheit und sein Wert über 100 Jahre lang seine praktische Anwendung verhindert. Erst in den letzten 30 Jahren hat Terbium sein einzigartiges Talent gezeigt.

Geschichte entdecken

Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander entdeckte 1843 Terbium. Er fand seine Verunreinigungen inYttrium(III)-oxidUndY2O3. Yttrium ist nach dem Dorf Ytterby in Schweden benannt. Vor dem Aufkommen der Ionenaustauschtechnologie wurde Terbium nicht in reiner Form isoliert.

Mosant teilte Yttrium(III)-Oxid zunächst in drei Teile, die alle nach Erzen benannt waren: Yttrium(III)-Oxid,Erbium(III)-oxidund Terbiumoxid. Terbiumoxid bestand ursprünglich aus einem rosafarbenen Teil, der auf das Element zurückzuführen war, das heute als Erbium bekannt ist. „Erbium(III)-oxid“ (einschließlich dessen, was wir heute Terbium nennen) war ursprünglich der im Wesentlichen farblose Teil der Lösung. Das unlösliche Oxid dieses Elements gilt als braun.

Spätere Arbeiter konnten das winzige farblose „Erbium(III)-oxid“ kaum noch erkennen, der lösliche rosafarbene Anteil konnte jedoch nicht ignoriert werden. Es kam immer wieder zu Debatten über die Existenz von Erbium(III)-oxid. Im Chaos wurde der ursprüngliche Name umgekehrt und der Namensaustausch blieb hängen, sodass der rosa Teil schließlich als eine Erbium enthaltende Lösung erwähnt wurde (in der Lösung war er rosa). Mittlerweile geht man davon aus, dass Arbeitnehmer Natriumbisulfat oder Kaliumsulfat einnehmenCer(IV)-oxidaus Yttrium(III)-oxid und verwandeln Terbium unbeabsichtigt in ein cerhaltiges Sediment. Nur etwa 1 % des ursprünglichen Yttrium(III)-Oxids, heute als „Terbium“ bekannt, reicht aus, um Yttrium(III)-Oxid eine gelbliche Farbe zu verleihen. Daher ist Terbium ein sekundärer Bestandteil, der es ursprünglich enthielt, und wird von seinen unmittelbaren Nachbarn Gadolinium und Dysprosium kontrolliert.

Wann immer danach andere Seltenerdelemente aus dieser Mischung abgetrennt wurden, wurde unabhängig vom Anteil des Oxids der Name Terbium beibehalten, bis schließlich das braune Terbiumoxid in reiner Form erhalten wurde. Forscher im 19. Jahrhundert nutzten die Ultraviolett-Fluoreszenz-Technologie nicht, um leuchtend gelbe oder grüne Knötchen (III) zu beobachten, was die Erkennung von Terbium in festen Mischungen oder Lösungen erleichterte.
Elektronenkonfiguration

Elektronenkonfiguration:

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

Die Elektronenkonfiguration von Terbium ist [Xe] 6s24f9. Normalerweise können nur drei Elektronen entfernt werden, bevor die Kernladung zu groß wird, um weiter ionisiert zu werden. Im Fall von Terbium ermöglicht halbgefülltes Terbium jedoch die weitere Ionisierung des vierten Elektrons in Gegenwart sehr starker Oxidationsmittel wie Fluorgas.

Terbiummetall

Terbium ist ein silberweißes Seltenerdmetall mit Duktilität, Zähigkeit und Weichheit, das mit einem Messer geschnitten werden kann. Schmelzpunkt 1360 ℃, Siedepunkt 3123 ℃, Dichte 8229 4kg/m3. Im Vergleich zum frühen Lanthanid ist es in der Luft relativ stabil. Als neuntes Element der Lanthanide ist Terbium ein Metall mit starker Elektrizität. Es reagiert mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff.

In der Natur wurde Terbium nie als freies Element gefunden, eine kleine Menge davon kommt in Phosphocerium-Thorium-Sand und Gadolinit vor. Terbium kommt zusammen mit anderen Seltenerdelementen im Monazitsand vor, mit einem Terbiumgehalt im Allgemeinen von 0,03 %. Weitere Quellen sind Xenotim und schwarze seltene Golderze, die beide Oxidmischungen sind und bis zu 1 % Terbium enthalten.

Anwendung

Bei der Anwendung von Terbium handelt es sich meist um High-Tech-Bereiche, bei denen es sich um technologie- und wissensintensive Spitzenprojekte handelt, aber auch um Projekte mit erheblichem wirtschaftlichen Nutzen und attraktiven Entwicklungsaussichten.

Zu den Hauptanwendungsgebieten gehören:

(1) Wird in Form gemischter seltener Erden verwendet. Beispielsweise wird es als Seltenerd-Mehrnährstoffdünger und Futterzusatzstoff in der Landwirtschaft eingesetzt.

(2) Aktivator für grünes Pulver in drei primären Fluoreszenzpulvern. Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen, nämlich Rot, Grün und Blau, aus denen sich verschiedene Farben synthetisieren lassen. Und Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver.

(3) Wird als magnetooptisches Speichermaterial verwendet. Zur Herstellung leistungsstarker magnetooptischer Scheiben wurden dünne Filme aus amorphen Metall-Terbium-Übergangsmetalllegierungen verwendet.

(4) Herstellung von magneto-optischem Glas. Terbiumhaltiges Faraday-Rotationsglas ist ein Schlüsselmaterial für die Herstellung von Rotatoren, Isolatoren und Zirkulatoren in der Lasertechnologie.

(5) Die Entwicklung und Weiterentwicklung der ferromagnetostriktiven Terbium-Dysprosium-Legierung (TerFenol) hat neue Anwendungen für Terbium eröffnet.

Für Landwirtschaft und Tierhaltung

Seltenerd-Terbium kann innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs die Qualität von Nutzpflanzen verbessern und die Photosyntheserate steigern. Terbiumkomplexe weisen eine hohe biologische Aktivität auf. Ternäre Terbiumkomplexe, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, haben gute antibakterielle und bakterizide Wirkungen auf Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis und Escherichia coli. Sie verfügen über ein breites antibakterielles Spektrum. Die Untersuchung solcher Komplexe bietet eine neue Forschungsrichtung für moderne bakterizide Arzneimittel.

Wird im Bereich der Lumineszenz eingesetzt

Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen, nämlich Rot, Grün und Blau, aus denen sich verschiedene Farben synthetisieren lassen. Und Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver. Wenn die Entstehung des roten Leuchtstoffpulvers der seltenen Erden in der Farbe TV die Nachfrage nach Yttrium und Europium angekurbelt hat, dann wurden die Anwendung und Entwicklung von Terbium durch grüne Leuchtstoffpulver der drei Grundfarben seltener Erden für Lampen gefördert. In den frühen 1980er Jahren erfand Philips die weltweit erste kompakte energiesparende Leuchtstofflampe und vermarktete sie schnell weltweit. Tb3+-Ionen können grünes Licht mit einer Wellenlänge von 545 nm emittieren, und fast alle grünen Seltenerd-Leuchtstoffe verwenden Terbium als Aktivator.

Der grüne Leuchtstoff für Farbfernseh-Kathodenstrahlröhren (CRT) basiert seit jeher auf Zinksulfid, das günstig und effizient ist, aber Terbiumpulver wurde schon immer als grüner Leuchtstoff für Projektionsfarbfernsehgeräte verwendet, einschließlich Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ und LaOBr ∶ Tb3+. Mit der Entwicklung des hochauflösenden Großbildfernsehens (HDTV) werden auch leistungsstarke grüne Fluoreszenzpulver für CRTs entwickelt. Beispielsweise wurde im Ausland ein hybrides grün fluoreszierendes Pulver entwickelt, das aus Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ und Y2SiO5: Tb3+ besteht und eine hervorragende Lumineszenzeffizienz bei hoher Stromdichte aufweist.

Das herkömmliche Röntgenfluoreszenzpulver ist Calciumwolframat. In den 1970er und 1980er Jahren wurden Seltenerd-Leuchtstoffe für Verstärkerschirme entwickelt, wie zum Beispiel Terbium-aktiviertes Schwefel-Lanthanoxid, Terbium-aktiviertes Brom-Lanthanoxid (für grüne Schirme), Terbium-aktiviertes Schwefel-Yttrium(III)-Oxid usw. Im Vergleich zu Calciumwolframat Seltenerd-Fluoreszenzpulver kann die Zeit der Röntgenbestrahlung für Patienten um 80 % verkürzen, die Auflösung von Röntgenfilmen verbessern und die Lebensdauer verlängern Röntgenröhren und reduzieren den Energieverbrauch. Terbium wird auch als fluoreszierender Pulveraktivator für medizinische Röntgenverstärkerbildschirme verwendet, wodurch die Empfindlichkeit der Röntgenumwandlung in optische Bilder erheblich verbessert, die Klarheit von Röntgenfilmen verbessert und die Belichtungsdosis von Röntgenstrahlen erheblich reduziert werden kann. Strahlen auf den menschlichen Körper (um mehr als 50 %).

Terbium wird auch als Aktivator im weißen LED-Leuchtstoff verwendet, der durch blaues Licht für neue Halbleiterbeleuchtungen angeregt wird. Es kann zur Herstellung von magnetooptischen Terbium-Aluminium-Kristallleuchtstoffen verwendet werden, wobei blaue Leuchtdioden als Anregungslichtquellen verwendet werden und die erzeugte Fluoreszenz mit dem Anregungslicht gemischt wird, um reines weißes Licht zu erzeugen.

Zu den elektrolumineszierenden Materialien aus Terbium gehört hauptsächlich grüner Zinksulfid-Leuchtstoff mit Terbium als Aktivator. Unter ultravioletter Bestrahlung können organische Terbiumkomplexe eine starke grüne Fluoreszenz emittieren und als elektrolumineszierende Dünnschichtmaterialien verwendet werden. Obwohl bei der Untersuchung von elektrolumineszierenden Dünnfilmen mit organischen Komplexen aus seltenen Erden erhebliche Fortschritte erzielt wurden, besteht immer noch eine gewisse Lücke in der Praxistauglichkeit, und die Forschung zu dünnen elektrolumineszierenden Dünnfilmen und Bauteilen aus organischen Komplexen aus seltenen Erden ist noch tiefgreifend.

Die Fluoreszenzeigenschaften von Terbium werden auch als Fluoreszenzsonden genutzt. Beispielsweise wurde die Fluoreszenzsonde von Ofloxacin-Terbium (Tb3+) verwendet, um die Wechselwirkung zwischen dem Komplex von Ofloxacin-Terbium (Tb3+) und der DNA (DNA) anhand des Fluoreszenzspektrums und des Absorptionsspektrums zu untersuchen. Dies zeigt, dass die Sonde von Ofloxacin-Tb3+ eine Furche bilden kann, die mit DNA-Molekülen bindet. und DNA kann die Fluoreszenz des Ofloxacin Tb3+-Systems deutlich verstärken. Anhand dieser Veränderung kann die DNA bestimmt werden.

Für magneto-optische Materialien

Materialien mit Faraday-Effekt, auch magnetooptische Materialien genannt, werden häufig in Lasern und anderen optischen Geräten verwendet. Es gibt zwei gängige Arten magneto-optischer Materialien: magneto-optische Kristalle und magneto-optisches Glas. Unter diesen weisen magnetooptische Kristalle (wie Yttrium-Eisen-Granat und Terbium-Gallium-Granat) die Vorteile einer einstellbaren Betriebsfrequenz und einer hohen thermischen Stabilität auf, sind jedoch teuer und schwierig herzustellen. Darüber hinaus weisen viele magnetooptische Kristalle mit großem Faraday-Rotationswinkel eine hohe Absorption im Kurzwellenbereich auf, was ihre Verwendung einschränkt. Im Vergleich zu magneto-optischen Kristallen hat magneto-optisches Glas den Vorteil einer hohen Durchlässigkeit und lässt sich leicht in große Blöcke oder Fasern verarbeiten. Derzeit sind magnetooptische Gläser mit hohem Faraday-Effekt hauptsächlich mit Seltenerdionen dotierte Gläser.

Wird für magneto-optische Speichermaterialien verwendet

In den letzten Jahren ist mit der rasanten Entwicklung der Multimedia- und Büroautomation die Nachfrage nach neuen Magnetplatten mit hoher Kapazität gestiegen. Filme aus amorphen Metall-Terbium-Übergangsmetalllegierungen wurden zur Herstellung leistungsstarker magnetooptischer Scheiben verwendet. Unter diesen weist der TbFeCo-Legierungsdünnfilm die beste Leistung auf. Magnetooptische Materialien auf Terbiumbasis wurden in großem Maßstab hergestellt und daraus hergestellte magnetooptische Scheiben werden als Computerspeicherkomponenten verwendet, wobei die Speicherkapazität um das 10- bis 15-fache erhöht wird. Sie bieten die Vorteile einer großen Kapazität und einer schnellen Zugriffsgeschwindigkeit und können bei Verwendung für optische Discs mit hoher Dichte zehntausende Male abgewischt und beschichtet werden. Sie sind wichtige Materialien in der elektronischen Informationsspeichertechnologie. Das am häufigsten verwendete magnetooptische Material im sichtbaren und nahen Infrarotbereich ist der Einkristall Terbium-Gallium-Granat (TGG), das beste magnetooptische Material zur Herstellung von Faraday-Rotatoren und -Isolatoren.

Für magneto-optisches Glas

Magnetisches optisches Faraday-Glas weist eine gute Transparenz und Isotropie im sichtbaren und infraroten Bereich auf und kann verschiedene komplexe Formen bilden. Es lässt sich leicht zu großformatigen Produkten herstellen und kann zu optischen Fasern verarbeitet werden. Daher bietet es breite Anwendungsaussichten in magneto-optischen Geräten wie magneto-optischen Isolatoren, magneto-optischen Modulatoren und faseroptischen Stromsensoren. Aufgrund seines großen magnetischen Moments und seines geringen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren und infraroten Bereich sind Tb3+-Ionen zu häufig verwendeten Seltenerdionen in magneto-optischen Gläsern geworden.

Ferromagnetostriktive Terbium-Dysprosium-Legierung

Am Ende des 20. Jahrhunderts, mit der Vertiefung der weltweiten wissenschaftlichen und technologischen Revolution, entstehen schnell neue Materialien für die Anwendung seltener Erden. Im Jahr 1984 kamen die Iowa State University der Vereinigten Staaten, das Ames Laboratory des US-Energieministeriums der Vereinigten Staaten und das US Navy Surface Weapons Research Center (das Hauptpersonal der später gegründeten American Edge Technology Company (ET REMA)) dazu Das Zentrum) entwickelte gemeinsam ein neues Smart-Material für seltene Erden, nämlich Terbium-Dysprosium-Eisen-Riesenmagnetostriktionsmaterial. Dieses neue Smart-Material verfügt über die hervorragenden Eigenschaften, elektrische Energie schnell in mechanische Energie umzuwandeln. Die aus diesem riesigen magnetostriktiven Material hergestellten Unterwasser- und elektroakustischen Wandler wurden erfolgreich in Marineausrüstung, Lautsprechern zur Erdölbohrungserkennung, Lärm- und Vibrationskontrollsystemen sowie Meereserkundungs- und unterirdischen Kommunikationssystemen konfiguriert. Daher erregte das riesige magnetostriktive Material Terbium-Dysprosium-Eisen, sobald es geboren wurde, große Aufmerksamkeit in Industrieländern auf der ganzen Welt. Edge Technologies in den Vereinigten Staaten begann 1989 mit der Produktion von riesigen magnetostriktiven Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen und nannte sie Terfenol D. Anschließend entwickelten Schweden, Japan, Russland, das Vereinigte Königreich und Australien auch riesige magnetostriktive Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen.

Aus der Geschichte der Entwicklung dieses Materials in den Vereinigten Staaten geht hervor, dass sowohl die Erfindung des Materials als auch seine frühen monopolistischen Anwendungen in direktem Zusammenhang mit der Militärindustrie (z. B. der Marine) stehen. Allerdings verbessern Chinas Militär- und Verteidigungsministerien nach und nach ihr Verständnis für dieses Material. Nachdem jedoch die umfassende nationale Macht Chinas deutlich zugenommen hat, werden die Anforderungen zur Umsetzung der militärischen Wettbewerbsstrategie im 21. Jahrhundert und zur Verbesserung des Ausrüstungsniveaus sicherlich sehr dringend sein. Daher wird die weit verbreitete Verwendung von magnetostriktiven Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen-Riesen durch das Militär und die nationalen Verteidigungsbehörden eine historische Notwendigkeit sein.

Kurz gesagt: Die vielen hervorragenden Eigenschaften von Terbium machen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Funktionsmaterialien und zu einer unersetzlichen Stellung in einigen Anwendungsbereichen. Aufgrund des hohen Preises von Terbium wird jedoch darüber nachgedacht, wie man den Einsatz von Terbium vermeiden und minimieren kann, um die Produktionskosten zu senken. Beispielsweise sollten magnetooptische Seltenerdmaterialien so weit wie möglich auch kostengünstiges Dysprosium-Eisen-Kobalt oder Gadolinium-Terbium-Kobalt verwenden; Versuchen Sie, den Terbiumgehalt im verwendeten grünen Leuchtstoffpulver zu reduzieren. Der Preis ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weit verbreitete Verwendung von Terbium einschränkt. Doch viele Funktionsmaterialien kommen ohne ihn nicht aus, daher müssen wir uns an den Grundsatz halten, „guten Stahl für die Klinge zu verwenden“ und versuchen, den Einsatz von Terbium so weit wie möglich einzusparen.