Magisches Seltenerdelement: Terbium

Terbiumgehört zur Kategorie der schweren Seltenen Erden, mit einer geringen Häufigkeit in der Erdkruste von nur 1,1 ppm.Terbiumoxidmacht 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 % der Gesamtmenge ausseltene Erde, was darauf hinweist, dass es zur Kategorie „edel“ gehörtseltene ErdeElemente. Seit der Entdeckung von Terbium im Jahr 1843 haben seine Knappheit und sein Wert über 100 Jahre lang seine praktische Anwendung verhindert. Das ist erst in den letzten 30 Jahren der FallTerbiumhat sein einzigartiges Talent gezeigt.

Geschichte entdecken

Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander entdeckte 1843 Terbium. Er entdeckte seine Verunreinigungen inYttriumoxidUndY2O3. Yttriumist nach dem Dorf Itby in Schweden benannt. Vor dem Aufkommen der Ionenaustauschtechnologie wurde Terbium nicht in reiner Form isoliert.

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

Spätere Arbeiter fanden es schwierig, winzige farblose „Erbiumoxid„, aber der lösliche rosa Anteil kann nicht ignoriert werden. Die Debatte über die Existenz vonErbiumoxidist immer wieder aufgetaucht. 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). Man geht heute davon aus, dass Arbeiter, die Natriumdisulfid oder Kaliumsulfat verwenden, um Cerdioxid zu entfernenYttriumoxidunbeabsichtigt drehenTerbiumin cerhaltige Niederschläge. Derzeit bekannt als'Terbium', nur etwa 1 % des OriginalsYttriumoxidvorhanden ist, reicht aber aus, um eine hellgelbe Farbe zu übertragenYttriumoxid. Daher,Terbiumist eine sekundäre Komponente, die es ursprünglich enthielt, und wird von seinen unmittelbaren Nachbarn kontrolliert.GadoliniumUndDysprosium.

Danach, wann auch immerseltene ErdeAus dieser Mischung wurden Elemente abgetrennt, unabhängig vom Anteil des Oxids, der Name Terbium blieb erhalten, bis schließlich das braune Oxid entstandTerbiumwurde in reiner Form erhalten. 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

Elektronisches Layout:

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

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

Metall

Terbiumist 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 zu frühen Lanthanoidelementen ist es in der Luft relativ stabil. Das neunte Element der Lanthanidenelemente, Terbium, ist ein hoch geladenes Metall, das mit Wasser unter Bildung von Wasserstoffgas reagiert.

In der Natur,TerbiumEs wurde nie festgestellt, dass es sich um ein freies Element handelt, das in geringen Mengen in Phosphor-Cer-Thorium-Sand und Silizium-Beryllium-Yttrium-Erz vorhanden ist.TerbiumKoexistiert mit anderen Seltenerdelementen im Monazitsand mit einem Terbiumgehalt von im Allgemeinen 0,03 %. Weitere Quellen sind Yttriumphosphat und Seltenerdgold, beides Oxidmischungen mit bis zu 1 % Terbium.

Anwendung

Die Anwendung vonTerbiumMeistens handelt es sich dabei um High-Tech-Bereiche, bei denen es sich um technologie- und wissensintensive Spitzenprojekte sowie um Projekte mit erheblichem wirtschaftlichen Nutzen und attraktiven Entwicklungsaussichten handelt.

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. UndTerbiumist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver.

(3) Wird als magnetooptisches Speichermaterial verwendet. Zur Herstellung leistungsstarker magneto-optischer Scheiben wurden dünne Schichten 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

Seltene ErdeTerbiumkann die Qualität von Nutzpflanzen verbessern und die Photosyntheserate innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs erhöhen. Die Terbiumkomplexe weisen eine hohe biologische Aktivität auf und die ternären Komplexe vonTerbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, haben gute antibakterielle und bakterizide Wirkungen auf Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis und Escherichia coli, mit antibakteriellen Breitbandeigenschaften. Die Untersuchung dieser 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 Geburt des roten Leuchtstoffpulvers für Farbfernsehgeräte mit seltenen Erden die Nachfrage angekurbelt hatYttriumUndEuropium, dann wurden die Anwendung und Entwicklung von Terbium durch Seltenerd-Grün-Leuchtstoffpulver mit drei Grundfarben 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 Fluoreszenzpulver der Seltenen Erden werden verwendetTerbium, als Aktivator.

Das für Farbfernseh-Kathodenstrahlröhren (CRTs) verwendete grüne Fluoreszenzpulver basierte schon immer hauptsächlich auf billigem und effizientem Zinksulfid, aber Terbiumpulver wurde schon immer als grünes Projektionsfarbfernsehpulver verwendet, wie z. B. 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 fluoreszierende Seltenerdpulver für Sensibilisierungsbildschirme entwickelt, wie zTerbium,aktiviertes Lanthansulfidoxid, terbiumaktiviertes Lanthanbromidoxid (für Greenscreens) und terbiumaktiviertes Yttriumsulfidoxid. Im Vergleich zu Kalziumwolframat kann fluoreszierendes Seltenerdpulver die Zeit der Röntgenbestrahlung für Patienten um 80 % verkürzen, die Auflösung von Röntgenfilmen verbessern, die Lebensdauer von Röntgenröhren verlängern und den Energieverbrauch senken. 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 %).

Terbiumwird auch als Aktivator im durch blaues Licht angeregten weißen LED-Leuchtstoff für neue Halbleiterbeleuchtungen verwendet. 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

Die aus Terbium hergestellten elektrolumineszierenden Materialien umfassen hauptsächlich grün fluoreszierendes ZinksulfidpulverTerbiumals Aktivator. Unter ultravioletter Bestrahlung können organische Terbiumkomplexe eine starke grüne Fluoreszenz emittieren und als elektrolumineszierende Dünnschichtmaterialien verwendet werden. Obwohl bei der Erforschung erheblicher Fortschritte erzielt wurdenseltene ErdeBei organischen komplexen elektrolumineszierenden Dünnfilmen besteht immer noch eine gewisse Lücke in der Praxistauglichkeit, und die Forschung zu organischen komplexen elektrolumineszierenden Dünnfilmen und Vorrichtungen aus seltenen Erden ist noch tiefgreifend.

Die Fluoreszenzeigenschaften von Terbium werden auch als Fluoreszenzsonden genutzt. Die Wechselwirkung zwischen Ofloxacin-Terbium (Tb3+)-Komplex und Desoxyribonukleinsäure (DNA) wurde mithilfe von Fluoreszenz- und Absorptionsspektren untersucht, beispielsweise der Fluoreszenzsonde von Ofloxacin-Terbium (Tb3+). Die Ergebnisse zeigten, dass die Ofloxacin-Tb3+-Sonde eine Furche bilden kann, die mit DNA-Molekülen bindet, und dass Desoxyribonukleinsäure die Fluoreszenz des Ofloxacin-Tb3+-Systems deutlich verstärken kann. Anhand dieser Veränderung kann Desoxyribonukleinsäure 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 großen Faraday-Rotationswinkeln 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. Zur Herstellung leistungsstarker magneto-optischer Scheiben wurden dünne Schichten aus amorphen Metall-Terbium-Übergangsmetalllegierungen 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 kontinuierlichen Vertiefung der weltweiten technologischen Revolution, entstanden rasch neue Materialien für die Anwendung seltener Erden. Im Jahr 1984 arbeiteten die Iowa State University, das Ames Laboratory des US-Energieministeriums und das US Navy Surface Weapons Research Center (aus dem das Hauptpersonal der später gegründeten Edge Technology Corporation (ET REMA) stammte) zusammen, um eine neue seltene Waffe zu entwickeln Intelligentes Material der Erde, nämlich ferromagnetisches magnetostriktives Terbium-Dysprosium-Material. Dieses neue intelligente Material verfügt über hervorragende Eigenschaften zur schnellen Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. 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. Angesichts der erheblichen Steigerung der umfassenden nationalen Stärke Chinas wird jedoch die Notwendigkeit einer militärischen Wettbewerbsstrategie des 21. Jahrhunderts und einer Verbesserung des Ausrüstungsniveaus auf jeden Fall 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 vonTerbiummachen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Funktionsmaterialien und zu einer unersetzlichen Stellung in manchen 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 auch magnetooptische Seltenerdmaterialien kostengünstig eingesetzt werdenDysprosiumeisenKobalt oder Gadolinium-Terbium-Kobalt so viel wie möglich; Versuchen Sie, den Terbiumgehalt im verwendeten grünen Leuchtstoffpulver zu reduzieren. Der Preis ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weitverbreitete Nutzung einschränktTerbium. Aber 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 einzusparenTerbiumso viel wie möglich.