Terbioappartiene alla categoria dei pesantiterre rare, con una bassa abbondanza nella crosta terrestre pari a soli 1,1 ppm. L'ossido di terbio rappresenta meno dello 0,01% del totale delle terre rare. Anche nel minerale di terre rare pesanti di tipo ad alto ione ittrio con il più alto contenuto di terbio, il contenuto di terbio rappresenta solo l'1,1-1,2% del totale delle terre rare, indicando che appartiene alla categoria "nobile" degli elementi delle terre rare. Per oltre 100 anni dalla scoperta del terbio nel 1843, la sua scarsità e il suo valore ne hanno impedito per lungo tempo l'applicazione pratica. È solo negli ultimi 30 anni che il terbio ha mostrato il suo talento unico.
Alla scoperta della storia
Il chimico svedese Carl Gustaf Mosander scoprì il terbio nel 1843. Trovò le sue impurità inOssido di ittrio (III).EY2O3. L'ittrio prende il nome dal villaggio di Ytterby in Svezia. Prima dell’avvento della tecnologia dello scambio ionico, il terbio non veniva isolato nella sua forma pura.
Mosant ha inizialmente diviso l'ossido di ittrio (III) in tre parti, tutte con il nome di minerali: ossido di ittrio (III),Ossido di erbio (III).e ossido di terbio. L'ossido di terbio era originariamente composto da una parte rosa, dovuta all'elemento oggi noto come erbio. L’“ossido di erbio (III)” (incluso quello che oggi chiamiamo terbio) era originariamente la parte essenzialmente incolore della soluzione. L'ossido insolubile di questo elemento è considerato marrone.
I ricercatori successivi difficilmente riuscirono a osservare il minuscolo “ossido di Erbio (III)” incolore, ma la parte rosa solubile non poteva essere ignorata. I dibattiti sull'esistenza dell'ossido di erbio (III) sono sorti ripetutamente. Nel caos, il nome originale fu invertito e lo scambio di nomi rimase bloccato, quindi la parte rosa alla fine fu menzionata come una soluzione contenente erbio (nella soluzione era rosa). Ora si ritiene che i lavoratori che usano bisolfato di sodio o solfato di potassio lo assumanoOssido di cerio (IV).dall'ossido di ittrio (III) e trasformano involontariamente il terbio in un sedimento contenente cerio. Solo circa l’1% dell’ossido di ittrio (III) originale, ora noto come “terbio”, è sufficiente per trasmettere un colore giallastro all’ossido di ittrio (III). Pertanto, il terbio è un componente secondario che inizialmente lo conteneva, ed è controllato dai suoi vicini immediati, gadolinio e disprosio.
Successivamente, ogni volta che altri elementi delle terre rare venivano separati da questa miscela, indipendentemente dalla proporzione dell'ossido, il nome di terbio veniva mantenuto finché alla fine si otteneva l'ossido marrone di terbio in forma pura. I ricercatori nel 19° secolo non utilizzavano la tecnologia della fluorescenza ultravioletta per osservare noduli gialli o verdi brillanti (III), rendendo più facile il riconoscimento del terbio in miscele o soluzioni solide.
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
La configurazione elettronica del terbio è [Xe] 6s24f9. Normalmente, solo tre elettroni possono essere rimossi prima che la carica nucleare diventi troppo grande per essere ulteriormente ionizzata, ma nel caso del terbio, il terbio semiriempito consente al quarto elettrone di essere ulteriormente ionizzato in presenza di ossidanti molto forti come il fluoro gassoso.
Il terbio è un metallo delle terre rare bianco argento con duttilità, tenacità e morbidezza che può essere tagliato con un coltello. Punto di fusione 1360 ℃, punto di ebollizione 3123 ℃, densità 8229 4 kg/m3. Rispetto al primo Lanthanide, è relativamente stabile nell'aria. Essendo il nono elemento del lantanide, il terbio è un metallo con una forte elettricità. Reagisce con l'acqua per formare idrogeno.
In natura, il terbio non è mai stato trovato come un elemento libero, una piccola quantità del quale esiste nella sabbia di fosfocerio e torio e nella gadolinite. Il terbio coesiste con altri elementi delle terre rare nella sabbia di monazite, con un contenuto di terbio generalmente dello 0,03%. Altre fonti sono Xenotime e minerali d'oro rari neri, entrambi sono miscele di ossidi e contengono fino all'1% di terbio.
Applicazione
L’applicazione del terbio riguarda principalmente settori ad alta tecnologia, ovvero progetti all’avanguardia ad alta intensità di tecnologia e conoscenza, nonché progetti con notevoli vantaggi economici e con prospettive di sviluppo interessanti.
Le principali aree di applicazione includono:
(1) Utilizzati sotto forma di terre rare miste. Ad esempio, viene utilizzato come fertilizzante composto di terre rare e additivo per mangimi per l'agricoltura.
(2) Attivatore per polvere verde in tre polveri fluorescenti primarie. I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base dei fosfori, vale a dire rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. E il terbio è un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità.
(3) Utilizzato come materiale di memorizzazione magneto-ottico. Film sottili di leghe di metalli di transizione di terbio metallico amorfo sono stati utilizzati per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni.
(4) Produzione di vetro magneto-ottico. Il vetro rotante di Faraday contenente terbio è un materiale chiave per la produzione di rotatori, isolatori e circolatori nella tecnologia laser.
(5) Lo sviluppo e lo sviluppo della lega ferromagnetostrittiva del terbio disprosio (TerFenol) ha aperto nuove applicazioni per il terbio.
Per l'agricoltura e la zootecnia
Il terbio delle terre rare può migliorare la qualità dei raccolti e aumentare il tasso di fotosintesi entro un certo intervallo di concentrazione. I complessi di terbio hanno un'elevata attività biologica. I complessi ternari del terbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, hanno buoni effetti antibatterici e battericidi su Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ed Escherichia coli. Hanno un ampio spettro antibatterico. Lo studio di tali complessi fornisce una nuova direzione di ricerca per i moderni farmaci battericidi.
Utilizzato nel campo della luminescenza
I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base dei fosfori, vale a dire rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. E il terbio è un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità. Se la nascita della polvere fluorescente rossa TV a colori di terre rare ha stimolato la domanda di ittrio ed europio, l'applicazione e lo sviluppo del terbio sono stati promossi dalla polvere fluorescente verde di tre colori primari di terre rare per lampade. All'inizio degli anni '80, Philips ha inventato la prima lampada fluorescente compatta a risparmio energetico al mondo e l'ha rapidamente promossa a livello globale. Gli ioni Tb3+ possono emettere luce verde con una lunghezza d'onda di 545 nm e quasi tutti i fosfori verdi delle terre rare utilizzano il terbio come attivatore.
Il fosforo verde per il tubo a raggi catodici (CRT) dei televisori a colori è sempre stato basato sul solfuro di zinco, che è economico ed efficiente, ma la polvere di terbio è sempre stata utilizzata come fosforo verde per la proiezione dei televisori a colori, inclusi Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+e LaOBr ∶ Tb3+. Con lo sviluppo dei televisori ad alta definizione (HDTV) su grande schermo, vengono sviluppate anche polveri fluorescenti verdi ad alte prestazioni per i CRT. Ad esempio, all'estero è stata sviluppata una polvere fluorescente verde ibrida, composta da Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, che hanno un'eccellente efficienza di luminescenza ad alta densità di corrente.
La tradizionale polvere fluorescente a raggi X è il tungstato di calcio. Negli anni '70 e '80 furono sviluppati fosfori di terre rare per l'intensificazione degli schermi, come l'ossido di lantanio con zolfo attivato con terbio, ossido di lantanio con bromo attivato con terbio (per schermi verdi), ossido di ittrio (III) con zolfo attivato con terbio, ecc. Rispetto al tungstato di calcio, la polvere fluorescente di terre rare può ridurre dell'80% il tempo di irradiazione dei raggi X per i pazienti, migliorare la risoluzione delle pellicole radiografiche, estendere la durata dei tubi a raggi X e ridurre il consumo energetico. Il terbio viene utilizzato anche come attivatore di polvere fluorescente per schermi medici di miglioramento dei raggi X, che può migliorare notevolmente la sensibilità della conversione dei raggi X in immagini ottiche, migliorare la chiarezza delle pellicole a raggi X e ridurre notevolmente la dose di esposizione dei raggi X. raggi al corpo umano (di oltre il 50%).
Il terbio viene utilizzato anche come attivatore nel fosforo bianco del LED eccitato dalla luce blu per l'illuminazione di nuovi semiconduttori. Può essere utilizzato per produrre fosfori di cristallo magneto-ottici in alluminio e terbio, utilizzando diodi emettitori di luce blu come sorgenti di luce di eccitazione e la fluorescenza generata viene miscelata con la luce di eccitazione per produrre luce bianca pura.
I materiali elettroluminescenti a base di terbio includono principalmente fosforo verde di solfuro di zinco con terbio come attivatore. Sotto l'irradiazione ultravioletta, i complessi organici del terbio possono emettere una forte fluorescenza verde e possono essere utilizzati come materiali elettroluminescenti a film sottile. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nello studio dei film sottili elettroluminescenti complessi organici delle terre rare, esiste ancora un certo divario rispetto alla praticità e la ricerca sui film sottili e sui dispositivi elettroluminescenti complessi organici delle terre rare è ancora approfondita.
Le caratteristiche di fluorescenza del terbio vengono utilizzate anche come sonde di fluorescenza. Ad esempio, la sonda a fluorescenza Ofloxacina terbio (Tb3+) è stata utilizzata per studiare l'interazione tra il complesso Ofloxacina terbio (Tb3+) e il DNA (DNA) mediante lo spettro di fluorescenza e lo spettro di assorbimento, indicando che la sonda Ofloxacina Tb3+ può formare un legame con le molecole di DNA, e il DNA possono aumentare significativamente la fluorescenza del sistema Ofloxacin Tb3+. Sulla base di questo cambiamento, è possibile determinare il DNA.
Per materiali magneto-ottici
I materiali con effetto Faraday, noti anche come materiali magneto-ottici, sono ampiamente utilizzati nei laser e in altri dispositivi ottici. Esistono due tipi comuni di materiali magneto ottici: cristalli magneto ottici e vetro magneto ottico. Tra questi, i cristalli magneto-ottici (come il granato di ittrio-ferro e il granato di terbio-gallio) presentano i vantaggi di una frequenza operativa regolabile e di un'elevata stabilità termica, ma sono costosi e difficili da produrre. Inoltre, molti cristalli magneto-ottici con angolo di rotazione di Faraday elevato hanno un elevato assorbimento nella gamma delle onde corte, il che ne limita l'uso. Rispetto ai cristalli magneto-ottici, il vetro magneto-ottico presenta il vantaggio di un'elevata trasmittanza ed è facile da trasformare in grandi blocchi o fibre. Attualmente, i vetri magneto-ottici con elevato effetto Faraday sono principalmente vetri drogati con ioni di terre rare.
Utilizzato per materiali di memorizzazione magneto-ottici
Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della multimedialità e dell'automazione degli uffici, è aumentata la domanda di nuovi dischi magnetici ad alta capacità. Le pellicole di leghe di metalli di transizione di terbio metallico amorfo sono state utilizzate per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni. Tra questi, il film sottile in lega TbFeCo ha le migliori prestazioni. I materiali magneto-ottici a base di terbio sono stati prodotti su larga scala e i dischi magneto-ottici realizzati con essi vengono utilizzati come componenti di archiviazione dei computer, con capacità di archiviazione aumentata di 10-15 volte. Presentano i vantaggi di una grande capacità e di un'elevata velocità di accesso e possono essere puliti e rivestiti decine di migliaia di volte se utilizzati per dischi ottici ad alta densità. Sono materiali importanti nella tecnologia di archiviazione elettronica delle informazioni. Il materiale magneto-ottico più comunemente utilizzato nelle bande del visibile e del vicino infrarosso è il cristallo singolo Terbium Gallium Garnet (TGG), che è il miglior materiale magneto-ottico per realizzare rotatori e isolatori di Faraday.
Per vetro magnetoottico
Il vetro magneto-ottico di Faraday ha una buona trasparenza e isotropia nelle regioni del visibile e dell'infrarosso e può formare varie forme complesse. È facile produrre prodotti di grandi dimensioni e può essere trasformato in fibre ottiche. Pertanto, ha ampie prospettive di applicazione nei dispositivi magneto-ottici come isolatori magneto-ottici, modulatori magneto-ottici e sensori di corrente in fibra ottica. A causa del suo grande momento magnetico e del piccolo coefficiente di assorbimento nella gamma visibile e infrarossa, gli ioni Tb3+ sono diventati ioni di terre rare comunemente usati nei vetri magneto-ottici.
Lega ferromagnetostrittiva di terbio disprosio
Alla fine del 20° secolo, con l’intensificarsi della rivoluzione scientifica e tecnologica mondiale, stanno emergendo rapidamente nuovi materiali applicati alle terre rare. Nel 1984, l'Iowa State University degli Stati Uniti, l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il Centro di ricerca sulle armi di superficie della Marina statunitense (il personale principale della successiva American Edge Technology Company (ET REMA) proveniva da il centro) ha sviluppato congiuntamente un nuovo materiale Smart delle terre rare, vale a dire il materiale magnetostrittivo gigante di ferro terbio disprosio. Questo nuovo materiale Smart ha le eccellenti caratteristiche di convertire rapidamente l'energia elettrica in energia meccanica. I trasduttori subacquei ed elettroacustici realizzati con questo gigantesco materiale magnetostrittivo sono stati configurati con successo in apparecchiature navali, altoparlanti per il rilevamento di pozzi petroliferi, sistemi di controllo del rumore e delle vibrazioni, nonché sistemi di esplorazione oceanica e di comunicazione sotterranea. Pertanto, non appena è nato il materiale magnetostrittivo gigante di ferro terbio disprosio, ha ricevuto un'ampia attenzione da parte dei paesi industrializzati di tutto il mondo. Edge Technologies negli Stati Uniti ha iniziato a produrre materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio nel 1989 e li ha chiamati Terfenol D. Successivamente, anche Svezia, Giappone, Russia, Regno Unito e Australia hanno sviluppato materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio.
Dalla storia dello sviluppo di questo materiale negli Stati Uniti, sia l'invenzione del materiale che le sue prime applicazioni monopolistiche sono direttamente collegate all'industria militare (come la marina). Sebbene i dipartimenti militari e di difesa cinesi stiano gradualmente rafforzando la loro comprensione di questo materiale. Tuttavia, dopo che il potere nazionale globale della Cina è aumentato in modo significativo, i requisiti per realizzare la strategia competitiva militare nel 21° secolo e migliorare il livello delle attrezzature saranno sicuramente molto urgenti. Pertanto, l’uso diffuso di materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio da parte dei dipartimenti militari e della difesa nazionale sarà una necessità storica.
In breve, le numerose ed eccellenti proprietà del terbio lo rendono un componente indispensabile di molti materiali funzionali e una posizione insostituibile in alcuni campi di applicazione. Tuttavia, a causa del prezzo elevato del terbio, le persone hanno studiato come evitare e minimizzare l’uso del terbio per ridurre i costi di produzione. Ad esempio, i materiali magneto-ottici delle terre rare dovrebbero utilizzare il più possibile anche il disprosio ferro cobalto a basso costo o il gadolinio terbio cobalto; Cercare di ridurre il contenuto di terbio nella polvere verde fluorescente che deve essere utilizzata. Il prezzo è diventato un fattore importante che limita l’uso diffuso del terbio. Ma molti materiali funzionali non possono farne a meno, quindi dobbiamo aderire al principio di “usare un buon acciaio sulla lama” e cercare di risparmiare il più possibile l’uso del terbio.
Orario di pubblicazione: 05-lug-2023