Magisches Seltenerdelement: Terbium

Terbiumgehört zur Kategorie der schweren Seltenen Erden und ist mit nur 1,1 ppm in der Erdkruste nur gering vorhanden.Terbiumoxidmacht weniger als 0,01 % der gesamten Seltenen Erden aus. Selbst im schweren Seltenerd-Erz mit hohem Yttriumionen-Typ und dem höchsten Terbiumgehalt beträgt der Terbiumgehalt nur 1,1-1,2 % der GesamtmengeSeltene Erden, was darauf hinweist, dass es zur Kategorie der „edlen“ gehörtSeltene ErdenElemente. Seit der Entdeckung des Terbiums im Jahr 1843 haben seine Seltenheit und sein Wert seine praktische Anwendung lange Zeit verhindert. Erst in den letzten 30 JahrenTerbiumhat sein einzigartiges Talent gezeigt.

Geschichte entdecken

Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander entdeckte 1843 Terbium. Er entdeckte dessen Verunreinigungen inYttriumoxidUndY2O3. Yttriumist nach dem Dorf Itby in Schweden benannt. Vor dem Aufkommen der Ionenaustauschtechnologie konnte Terbium nicht in seiner reinen Form isoliert werden.

Mossander teilte zunächstYttriumoxidin drei Teile, die alle nach Erzen benannt sind:Yttriumoxid, Erbiumoxid, UndTerbiumoxid. Terbiumoxidbestand ursprünglich aus einem rosa Teil, aufgrund des Elements, das heute alsErbium. Erbiumoxid(einschließlich dessen, was wir heute Terbium nennen) war ursprünglich ein farbloser Bestandteil in Lösung. Das unlösliche Oxid dieses Elements gilt als braun.

Spätere Forscher fanden es schwierig, winzige farblose „Erbiumoxid“, aber der lösliche rosa Teil kann nicht ignoriert werden. Die Debatte über die Existenz vonErbiumoxidist immer wieder aufgetaucht. Im Chaos wurde der ursprüngliche Name vertauscht und der Namensaustausch blieb stecken, sodass der rosa Teil schließlich als Erbium-haltige Lösung bezeichnet wurde (in der Lösung war er rosa). Man geht heute davon aus, dass Arbeiter, die Natriumdisulfid oder Kaliumsulfat verwenden, um Cerdioxid ausYttriumoxidunbeabsichtigt drehenTerbiumin cerhaltige Niederschläge. Derzeit bekannt alsTerbium', nur etwa 1% des ursprünglichenYttriumoxidvorhanden ist, aber dies reicht aus, um eine hellgelbe Farbe zu übertragenYttriumoxid. Daher,Terbiumist eine sekundäre Komponente, die es ursprünglich enthielt, und es wird von seinen unmittelbaren Nachbarn kontrolliert,GadoliniumUndDysprosium.

Danach, wenn andereSeltene ErdenElemente wurden aus dieser Mischung getrennt, unabhängig vom Anteil des Oxids, der Name Terbium blieb erhalten, bis schließlich das braune Oxid vonTerbiumwurde in reiner Form gewonnen. Forscher im 19. Jahrhundert verwendeten keine Ultraviolett-Fluoreszenztechnologie, um leuchtend gelbe oder grüne Knötchen (III) zu beobachten, wodurch Terbium in festen Mischungen oder Lösungen leichter zu erkennen war.

Elektronenkonfiguration

Elektronisches Layout:

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

Die elektronische Abwicklung vonTerbiumist [Xe] 6s24f9. Normalerweise können nur drei Elektronen entfernt werden, bevor die Kernladung zu groß wird, um weiter ionisiert zu werden. Im Fall vonTerbium, die halbgefüllteTerbiumermöglicht eine weitere Ionisierung des vierten Elektrons in Gegenwart eines sehr starken Oxidationsmittels wie Fluorgas.

Metall

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Terbiumist ein silberweißes Seltenerdmetall mit guter 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 Lanthanoiden ist es in der Luft relativ stabil. Terbium, das neunte Element der Lanthanoiden, ist ein hochgeladenes Metall, das mit Wasser zu Wasserstoffgas reagiert.

In der NaturTerbiumEs wurde nie als freies Element nachgewiesen; es kommt in kleinen Mengen in Phosphor-, Cer-, Thorium- und Silizium-, Beryllium- und Yttrium-Erz vor.TerbiumEs kommt zusammen mit anderen Seltenerdelementen in Monazitsand vor und weist im Allgemeinen einen Terbiumgehalt von 0,03 % auf. Weitere Quellen sind Yttriumphosphat und Seltenerdgold. Beides sind Oxidmischungen mit bis zu 1 % Terbium.

Anwendung

Die Anwendung vonTerbiumDabei handelt es sich überwiegend um Hochtechnologiefelder, also um technologie- und wissensintensive Spitzenprojekte sowie um 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. UndTerbiumist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtpulver.

(3) Wird als magnetooptisches Speichermaterial verwendet. Dünne Filme aus amorphen Übergangsmetalllegierungen des Metalls Terbium 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

Seltene ErdenTerbiumkann die Qualität von Nutzpflanzen verbessern und die Photosyntheserate innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs erhöhen. Die Komplexe von Terbium haben eine hohe biologische Aktivität, und die ternären Komplexe vonTerbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, haben eine gute antibakterielle und bakterizide Wirkung auf Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis und Escherichia coli und verfügen über ein breites antibakterielles Spektrum. Die Untersuchung dieser Komplexe eröffnet neue Forschungsrichtungen für moderne bakterizide Arzneimittel.

Einsatz im Bereich der Lumineszenz

Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen, nämlich Rot, Grün und Blau, mit denen verschiedene Farben synthetisiert werden können. Und Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver. Wenn die Einführung von rotem Leuchtstoffpulver für Seltenerd-Farbfernseher die Nachfrage nachYttriumUndEuropiumDie Anwendung und Entwicklung von Terbium wurde durch Seltenerd-Grünpulver mit drei Primärfarben für Lampen vorangetrieben. Anfang der 1980er Jahre erfand Philips die weltweit erste kompakte Energiesparlampe und machte sie schnell weltweit bekannt. Tb3+-Ionen emittieren grünes Licht mit einer Wellenlänge von 545 nm, und fast alle Seltenerd-Grünpulver verwendenTerbium, als Aktivator.

Das für Farbfernseh-Kathodenstrahlröhren (CRTs) verwendete grüne Leuchtpulver basierte bisher hauptsächlich auf kostengünstigem und effizientem Zinksulfid. Für Projektionsfarbfernseher wurde jedoch schon immer Terbiumpulver verwendet, beispielsweise Y2SiO5:Tb3+, Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+ und LaOBr:Tb3+. Mit der Entwicklung von hochauflösenden Großbildfernsehern (HDTV) werden auch leistungsstarke grüne Leuchtpulver für CRTs entwickelt. Beispielsweise wurde im Ausland ein hybrides grünes Leuchtpulver entwickelt, das aus Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ und Y2SiO5:Tb3+ besteht und eine hervorragende Leuchteffizienz bei hoher Stromdichte aufweist.

Das traditionelle Röntgenfluoreszenzpulver ist Calciumwolframat. In den 1970er und 1980er Jahren wurden Seltenerd-Fluoreszenzpulver für Sensibilisierungsschirme entwickelt, wie zum BeispielTerbium, aktiviertes Lanthansulfidoxid, terbiumaktiviertes Lanthanbromidoxid (für Greenscreens) und terbiumaktiviertes Yttriumsulfidoxid. 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 Röntgenverstärkungsschirme verwendet. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Röntgenumwandlung in optische Bilder deutlich verbessert, die Klarheit von Röntgenfilmen verbessert und die Röntgendosis für den menschlichen Körper um über 50 % reduziert werden.

TerbiumWird 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 reines weißes Licht zu erzeugen.

Zu den elektrolumineszierenden Materialien aus Terbium gehören vor allem Zinksulfid-Grünfluoreszenzpulver mitTerbiumals Aktivator. Organische Terbiumkomplexe können unter ultravioletter Bestrahlung eine starke grüne Fluoreszenz emittieren und als Dünnschicht-Elektrolumineszenzmaterialien eingesetzt werden. Obwohl in der Erforschung vonSeltene ErdenBei komplexen organischen Elektrolumineszenz-Dünnfilmen besteht noch eine gewisse Lücke zur praktischen Anwendbarkeit, und die Forschung zu komplexen organischen Elektrolumineszenz-Dünnfilmen und -Geräten mit Seltenerd-Erden ist noch in der Entwicklung.

Die Fluoreszenzeigenschaften von Terbium werden auch als Fluoreszenzsonde genutzt. Die Wechselwirkung zwischen dem Ofloxacin-Terbium-Komplex (Tb3+) und Desoxyribonukleinsäure (DNA) wurde anhand von Fluoreszenz- und Absorptionsspektren untersucht, beispielsweise mit der Fluoreszenzsonde von Ofloxacin-Terbium (Tb3+). Die Ergebnisse zeigten, dass die Ofloxacin-Tb3+-Sonde eine Furche bilden kann, die mit DNA-Molekülen bindet, und Desoxyribonukleinsäure die Fluoreszenz des Ofloxacin-Tb3+-Systems deutlich verstärken kann. Anhand dieser Veränderung kann Desoxyribonukleinsäure 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 aufwändig in der Herstellung. Zudem weisen viele magnetooptische Kristalle mit hohem Faraday-Rotationswinkel eine hohe Absorption im Kurzwellenbereich auf, was ihre Verwendung einschränkt. Im Vergleich zu 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. Dünnschichten 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 erzielen 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

Ende des 20. Jahrhunderts, mit der fortschreitenden technologischen Revolution, entstanden rasch neue Anwendungsmaterialien für Seltene Erden. 1984 arbeiteten 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 Edge Technology Corporation (ET REMA) hervorging) zusammen, um ein neues intelligentes Seltenerdmaterial zu entwickeln: das ferromagnetische magnetostriktive Terbium-Dysprosium-Material. Dieses neue intelligente Material wandelt elektrische Energie hervorragend in mechanische Energie um. 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 Terbium-Dysprosium-Eisen-Material von Anfang an 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 (z. B. der Marine) verbunden sind. Chinas Militär- und Verteidigungsministerien vertiefen zwar sukzessive ihr Wissen über dieses Material. Mit der deutlichen Stärkung der nationalen Stärke Chinas wird jedoch die Notwendigkeit, eine militärisch wettbewerbsfähige Strategie für das 21. Jahrhundert zu entwickeln und die Ausrüstung zu verbessern, dringender. Daher ist die breite Nutzung von Terbium-Dysprosium-Eisen-RMG-Materialien durch Militär und Verteidigungsministerien eine historische Notwendigkeit.

Kurz gesagt, die vielen hervorragenden Eigenschaften vonTerbiummachen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Funktionsmaterialien und zu einer unersetzlichen Position in einigen Anwendungsbereichen. Aufgrund des hohen Preises von Terbium wurde jedoch untersucht, wie der Einsatz von Terbium vermieden oder minimiert werden kann, um die Produktionskosten zu senken. Beispielsweise sollten magnetooptische Materialien aus seltenen Erden auch kostengünstigeDysprosiumeisenKobalt oder Gadolinium-Terbium-Kobalt so weit wie möglich; Versuchen Sie, den Terbiumgehalt im zu verwendenden grünen Fluoreszenzpulver zu reduzieren. Der Preis ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weit verbreitete Verwendung vonTerbium. Viele Funktionsmaterialien kommen jedoch nicht ohne sie aus, daher müssen wir uns an das Prinzip „Verwendung von gutem Stahl für die Klinge“ halten und versuchen, den Einsatz vonTerbiumso viel wie möglich.

 


Veröffentlichungszeit: 25. Oktober 2023