Terbiumgehört zur Kategorie der schwerenSeltene ErdenTerbiumoxid kommt in der Erdkruste nur in geringen Mengen von 1,1 ppm vor. Es macht weniger als 0,01 % der gesamten Seltenen Erden aus. Selbst in den schweren Seltenen Erden mit hohem Yttriumionengehalt und dem höchsten Terbiumgehalt beträgt der Terbiumgehalt nur 1,1–1,2 % der gesamten Seltenen Erden, was darauf hindeutet, dass es zu den „edlen“ Seltenerdelementen gehört. Seit seiner Entdeckung im Jahr 1843 vor über 100 Jahren verhinderten seine Seltenheit und sein hoher Wert seine praktische Anwendung lange Zeit. Erst in den letzten 30 Jahren hat Terbium sein einzigartiges Potenzial unter Beweis gestellt.
Geschichte entdecken
Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander entdeckte 1843 Terbium. Er fand dessen Verunreinigungen inYttrium(III)-oxidUndY2O3Yttrium ist nach dem Dorf Ytterby in Schweden benannt. Vor der Einführung der Ionenaustauschtechnologie konnte Terbium nicht in seiner reinen Form isoliert werden.
Mosant unterteilte Yttrium(III)-oxid zunächst in drei Teile, die alle nach Erzen benannt wurden: Yttrium(III)-oxid,Erbium(III)-oxidund Terbiumoxid. Terbiumoxid bestand ursprünglich aus einem rosafarbenen Anteil, der auf das heute als Erbium bekannte Element zurückzuführen war. „Erbium(III)-oxid“ (einschließlich des heutigen Terbiums) war ursprünglich der im Wesentlichen farblose Anteil in der Lösung. Das unlösliche Oxid dieses Elements gilt als braun.
Spätere Forscher konnten das winzige farblose „Erbium(III)-oxid“ kaum erkennen, doch der lösliche rosafarbene Anteil war nicht zu übersehen. Immer wieder kam es zu Debatten über die Existenz von Erbium(III)-oxid. Im Chaos wurde der ursprüngliche Name vertauscht, und der Namensaustausch blieb stecken, sodass der rosafarbene Anteil schließlich als erbiumhaltige Lösung bezeichnet wurde (in der Lösung war er rosa). Man geht heute davon aus, dass Arbeiter, die Natriumbisulfat oder Kaliumsulfat verwenden,Cer(IV)-oxidaus Yttrium(III)-oxid und verwandelt Terbium unbeabsichtigt in ein cerhaltiges Sediment. Nur etwa 1 % des ursprünglichen Yttrium(III)-oxids, heute als „Terbium“ bekannt, reicht aus, um Yttrium(III)-oxid gelblich zu färben. Terbium ist daher eine sekundäre Komponente, die es ursprünglich enthielt, und wird von seinen unmittelbaren Nachbarn Gadolinium und Dysprosium kontrolliert.
Wenn später andere Seltenerdelemente aus dieser Mischung abgetrennt wurden, behielt man unabhängig vom Oxidanteil den Namen Terbium bei, bis schließlich das braune Terbiumoxid in reiner Form erhalten wurde. Forscher im 19. Jahrhundert nutzten keine Ultraviolett-Fluoreszenztechnologie zur Beobachtung leuchtend gelber oder grüner Knollen (III), wodurch Terbium in festen Mischungen oder Lösungen leichter zu erkennen war.
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 für eine weitere Ionisierung wird. Bei Terbium ermöglicht halbgefülltes Terbium jedoch die weitere Ionisierung des vierten Elektrons in Gegenwart sehr starker Oxidationsmittel wie Fluorgas.
Terbium ist ein silberweißes Seltenerdmetall mit hoher Duktilität, Zähigkeit und Weichheit, das sich mit einem Messer schneiden lässt. Schmelzpunkt 1360 °C, Siedepunkt 3123 °C, Dichte 8229,4 kg/m³. Im Vergleich zu den frühen Lanthaniden ist es in der Luft relativ stabil. Als neuntes Element der Lanthanide ist Terbium ein Metall mit starker Elektrizität. Es reagiert mit Wasser zu Wasserstoff.
In der Natur wurde Terbium nie als freies Element gefunden. Eine geringe Menge davon ist in Phosphorocerium-Thorium-Sand und Gadolinit vorhanden. Terbium kommt zusammen mit anderen Seltenerdelementen in Monazitsand vor und weist im Allgemeinen einen Terbiumgehalt von 0,03 % auf. Weitere Quellen sind Xenotim und schwarze seltene Golderze, beides Oxidgemische mit bis zu 1 % Terbiumgehalt.
Anwendung
Die Anwendung von Terbium betrifft vor allem Hochtechnologiefelder, also technologie- und wissensintensive Spitzenprojekte sowie Projekte mit erheblichem wirtschaftlichen Nutzen und attraktiven Entwicklungsaussichten.
Zu den Hauptanwendungsgebieten zählen:
(1) Wird in Form gemischter Seltener Erden verwendet. Beispielsweise wird es als Seltenerd-Mischdünger und Futterzusatz in der Landwirtschaft eingesetzt.
(2) Aktivator für grünes Pulver in drei primären Leuchtstoffpulvern. Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen, nämlich Rot, Grün und Blau, mit denen verschiedene Farben synthetisiert werden können. Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver.
(3) Wird als magnetooptisches Speichermaterial verwendet. Dünne Filme aus amorphen Terbium-Übergangsmetalllegierungen wurden zur Herstellung hochleistungsfähiger magnetooptischer Datenträger verwendet.
(4) Herstellung magnetooptischer Gläser. 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 Anwendungsmöglichkeiten für Terbium eröffnet.
Für Landwirtschaft und Viehzucht
Das Seltene Erden-Terbium kann die Qualität von Nutzpflanzen verbessern und die Photosyntheserate innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs erhöhen. Terbiumkomplexe weisen eine hohe biologische Aktivität auf. Ternäre Terbiumkomplexe, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3 · 3H2O, haben eine gute antibakterielle und bakterizide Wirkung auf Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis und Escherichia coli. Sie verfügen über ein breites antibakterielles Spektrum. Die Untersuchung solcher Komplexe eröffnet neue Forschungsrichtungen für moderne bakterizide Medikamente.
Einsatz im Bereich der Lumineszenz
Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen – Rot, Grün und Blau –, mit denen verschiedene Farben synthetisiert werden können. Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver. Während die Einführung des roten Leuchtstoffpulvers aus seltenen Erden für Fernsehgeräte die Nachfrage nach Yttrium und Europium ankurbelte, wurden die Anwendung und Entwicklung von Terbium durch die Entwicklung des grünen Leuchtstoffpulvers aus seltenen Erden für Lampen vorangetrieben. Anfang der 1980er Jahre erfand Philips die weltweit erste kompakte Energiesparlampe und vermarktete sie rasch weltweit. Tb3+-Ionen können grünes Licht mit einer Wellenlänge von 545 nm emittieren, und fast alle grünen Leuchtstoffe aus seltenen Erden verwenden Terbium als Aktivator.
Der grüne Leuchtstoff für Farbfernseh-Kathodenstrahlröhren (CRT) basierte schon immer auf dem kostengünstigen und effizienten Zinksulfid. Für Projektionsfarbfernseher wurde jedoch schon immer Terbiumpulver als grüner Leuchtstoff verwendet, darunter Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ und LaOBr ∶ Tb3+. Mit der Entwicklung von hochauflösenden Großbildfernsehern (HDTV) werden auch leistungsstarke grüne Leuchtstoffpulver für CRTs entwickelt. Beispielsweise wurde im Ausland ein hybrides grünes Leuchtstoffpulver entwickelt, bestehend aus Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ und Y2SiO5: Tb3+, das eine ausgezeichnete Leuchteffizienz bei hoher Stromdichte aufweist.
Das traditionelle Röntgenfluoreszenzpulver ist Calciumwolframat. In den 1970er und 1980er Jahren wurden Seltenerd-Leuchtstoffe für Verstärkerfolien entwickelt, wie z. B. terbiumaktiviertes Schwefel-Lanthanoxid, terbiumaktiviertes Brom-Lanthanoxid (für Greenscreens), terbiumaktiviertes Schwefel-Yttrium(III)-oxid usw. Im Vergleich zu Calciumwolframat kann Seltenerd-Leuchtstoffpulver die Röntgenbestrahlungszeit für Patienten um 80 % verkürzen, die Auflösung von Röntgenfilmen verbessern, die Lebensdauer von Röntgenröhren verlängern und den Energieverbrauch senken. Terbium wird auch als Leuchtstoffpulveraktivator für medizinische Röntgenverstärkungsfolien verwendet. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Röntgenumwandlung in optische Bilder deutlich verbessert, die Klarheit von Röntgenfilmen verbessert und die Strahlenbelastung des menschlichen Körpers um über 50 % reduziert werden.
Terbium wird auch als Aktivator in weißem 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. Die erzeugte Fluoreszenz wird mit dem Anregungslicht gemischt, um rein weißes Licht zu erzeugen.
Die elektrolumineszierenden Materialien aus Terbium bestehen hauptsächlich aus Zinksulfid-Grünleuchtstoff mit Terbium als Aktivator. Organische Terbiumkomplexe können unter ultravioletter Bestrahlung eine starke grüne Fluoreszenz emittieren und als elektrolumineszierende Dünnschichtmaterialien eingesetzt werden. Obwohl bei der Erforschung elektrolumineszierender Dünnschichten aus organischen Seltenerdkomplexen bereits erhebliche Fortschritte erzielt wurden, besteht noch eine gewisse Lücke in der Praxis. Die Forschung zu elektrolumineszierenden Dünnschichten und Bauelementen aus organischen Seltenerdkomplexen befindet sich noch in der Entwicklungsphase.
Die Fluoreszenzeigenschaften von Terbium werden auch als Fluoreszenzsonde genutzt. Beispielsweise wurde die Ofloxacin-Terbium-(Tb3+)-Fluoreszenzsonde verwendet, um die Wechselwirkung zwischen dem Ofloxacin-Terbium-(Tb3+)-Komplex und DNA (DNA) anhand des Fluoreszenzspektrums und des Absorptionsspektrums zu untersuchen. Dies deutet darauf hin, dass die Ofloxacin-Tb3+-Sonde eine Bindungsfurche mit DNA-Molekülen bilden kann und DNA die Fluoreszenz des Ofloxacin-Tb3+-Systems deutlich verstärken kann. Anhand dieser Veränderung kann DNA bestimmt werden.
Für magnetooptische Materialien
Materialien mit Faraday-Effekt, auch magnetooptische Materialien genannt, werden häufig in Lasern und anderen optischen Geräten verwendet. Es gibt zwei gängige Arten magnetooptischer Materialien: magnetooptische Kristalle und magnetooptisches Glas. Magnetooptische Kristalle (wie Yttrium-Eisen-Granat und Terbium-Gallium-Granat) bieten den Vorteil einer einstellbaren Betriebsfrequenz und einer hohen thermischen Stabilität, sind jedoch teuer und schwierig herzustellen. Zudem weisen viele magnetooptische Kristalle mit hohem Faraday-Rotationswinkel eine hohe Absorption im Kurzwellenbereich auf, was ihre Verwendung einschränkt. Verglichen mit magnetooptischen Kristallen bietet magnetooptisches Glas den Vorteil einer hohen Transmission und lässt sich leicht zu großen Blöcken oder Fasern verarbeiten. Derzeit sind magnetooptische Gläser mit hohem Faraday-Effekt hauptsächlich mit Seltenerdionen dotierte Gläser.
Wird für magnetooptische Speichermaterialien verwendet
In den letzten Jahren ist mit der rasanten Entwicklung von Multimedia und Büroautomation die Nachfrage nach neuen Magnetplatten mit hoher Speicherkapazität gestiegen. Filme aus amorphen Terbium-Übergangsmetalllegierungen werden zur Herstellung leistungsstarker magnetooptischer Platten verwendet. Die Dünnschicht aus TbFeCo-Legierung weist dabei die beste Leistung auf. Terbiumbasierte magnetooptische Materialien werden in großem Maßstab hergestellt, und daraus hergestellte magnetooptische Platten werden als Computerspeicherkomponenten eingesetzt und ermöglichen eine um das 10- bis 15-fache erhöhte Speicherkapazität. Sie bieten die Vorteile hoher Speicherkapazität und hoher Zugriffsgeschwindigkeit und können bei Verwendung für hochdichte optische Platten zehntausende Male gereinigt und beschichtet werden. Sie sind wichtige Materialien in der elektronischen Informationsspeichertechnologie. Das am häufigsten verwendete magnetooptische Material im sichtbaren und nahinfraroten Bereich ist Terbium-Gallium-Granat (TGG)-Einkristall, das sich am besten für die Herstellung von Faraday-Rotatoren und -Isolatoren eignet.
Für magnetooptisches Glas
Faradaysches magnetooptisches Glas weist eine gute Transparenz und Isotropie im sichtbaren und infraroten Bereich auf und kann verschiedene komplexe Formen annehmen. Es lässt sich leicht in großen Abmessungen herstellen und zu optischen Fasern verarbeiten. Daher bietet es breite Anwendungsmöglichkeiten in magnetooptischen Geräten wie magnetooptischen Isolatoren, magnetooptischen Modulatoren und faseroptischen Stromsensoren. Aufgrund ihres großen magnetischen Moments und ihres geringen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren und infraroten Bereich werden Tb3+-Ionen häufig als Seltenerdionen in magnetooptischen Gläsern verwendet.
Ferromagnetostriktive Terbium-Dysprosium-Legierung
Gegen Ende des 20. Jahrhunderts, mit der weltweiten wissenschaftlich-technischen Revolution, entstanden schnell neue angewandte Materialien aus Seltenen Erden. 1984 entwickelten die Iowa State University, das Ames Laboratory des US-Energieministeriums und das Surface Weapons Research Center der US Navy (aus dem das Hauptpersonal der später gegründeten American Edge Technology Company (ET REMA) stammte) gemeinsam ein neues intelligentes Seltenerdmaterial, das gigantische magnetostriktive Material Terbium-Dysprosium-Eisen. Dieses neue intelligente Material zeichnet sich durch die hervorragende Fähigkeit aus, elektrische Energie schnell in mechanische Energie umzuwandeln. Unterwasser- und elektroakustische Wandler aus diesem gigantischen magnetostriktiven Material wurden erfolgreich in Marineausrüstung, Lautsprechern zur Ölquellenerkennung, Lärm- und Vibrationskontrollsystemen sowie in Meeresforschungs- und unterirdischen Kommunikationssystemen eingesetzt. Daher erregte das gigantische magnetostriktive Material Terbium-Dysprosium-Eisen unmittelbar nach seiner Erfindung große Aufmerksamkeit in Industrieländern weltweit. Edge Technologies in den USA begann 1989 mit der Produktion von riesigen magnetostriktiven Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen und nannte sie Terfenol D. Später entwickelten auch Schweden, Japan, Russland, das Vereinigte Königreich und Australien riesige magnetostriktive Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen.
Die Entwicklungsgeschichte dieses Materials in den USA zeigt, dass sowohl seine Erfindung als auch seine frühen monopolistischen Anwendungen direkt mit der Rüstungsindustrie (wie der Marine) verbunden sind. Chinas Militär- und Verteidigungsministerien vertiefen zwar allmählich ihr Wissen über dieses Material. Da Chinas umfassende nationale Macht jedoch deutlich zugenommen hat, sind die Anforderungen an die Umsetzung der militärischen Wettbewerbsstrategie im 21. Jahrhundert und die Verbesserung der Ausrüstung zweifellos sehr dringlich. Daher ist die breite Nutzung von Terbium-Dysprosium-Eisen-RMG-Materialien durch Militär- und Verteidigungsministerien eine historische Notwendigkeit.
Kurz gesagt: Die vielen hervorragenden Eigenschaften von Terbium machen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Funktionsmaterialien und in einigen Anwendungsbereichen unverzichtbar. Aufgrund des hohen Terbiumpreises wird jedoch daran gearbeitet, den Einsatz von Terbium zu vermeiden oder zu minimieren, um die Produktionskosten zu senken. Beispielsweise sollten für magnetooptische Seltenerdmaterialien möglichst kostengünstige Dysprosium-Eisen-Kobalt- oder Gadolinium-Terbium-Kobalt-Verbindungen verwendet werden. Der Terbiumgehalt des benötigten grün fluoreszierenden Pulvers sollte reduziert werden. Der Preis ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die breite Verwendung von Terbium einschränkt. Viele Funktionsmaterialien kommen jedoch nicht ohne Terbium aus, daher gilt es, dem Grundsatz „Verwendung von hochwertigem Stahl für die Klinge“ zu folgen und Terbium so weit wie möglich einzusparen.
Beitragszeit: 05.07.2023