Terbiumtilhører kategorien tungsjeldne jordarter, med en lav forekomst i jordskorpen på bare 1,1 ppm. Terbiumoksid utgjør mindre enn 0,01 % av den totale mengden sjeldne jordarter. Selv i den tunge malmen av sjeldne jordarter med høyt yttriumioninnhold og det høyeste innholdet av terbium, utgjør terbiuminnholdet bare 1,1–1,2 % av den totale mengden sjeldne jordarter, noe som indikerer at den tilhører den «edle» kategorien av sjeldne jordarter. I over 100 år siden oppdagelsen av terbium i 1843 har knappheten og verdien av det lenge forhindret praktisk anvendelse. Det er først i løpet av de siste 30 årene at terbium har vist sitt unike talent.
Oppdage historie
Den svenske kjemikeren Carl Gustaf Mosander oppdaget terbium i 1843. Han fant urenhetene iYttrium(III)oksidogY2O3Yttrium er oppkalt etter landsbyen Ytterby i Sverige. Før fremveksten av ionebytterteknologi ble ikke terbium isolert i sin rene form.
Mosant delte først yttrium(III)-oksid inn i tre deler, alle oppkalt etter malmer: yttrium(III)-oksid,Erbium(III)oksid, og terbiumoksid. Terbiumoksid var opprinnelig sammensatt av en rosa del, på grunn av grunnstoffet som nå er kjent som erbium. «Erbium(III)oksid» (inkludert det vi nå kaller terbium) var opprinnelig den i hovedsak fargeløse delen i løsningen. Det uløselige oksidet av dette grunnstoffet regnes som brunt.
Senere kunne arbeidere knapt observere det lille fargeløse «erbium(III)-oksidet», men den løselige rosa delen kunne ikke ignoreres. Debatter om eksistensen av erbium(III)-oksid har oppstått gjentatte ganger. I kaoset ble det opprinnelige navnet snudd på hodet og navnebyttet ble beholdt, så den rosa delen ble til slutt nevnt som en løsning som inneholdt erbium (i løsningen var den rosa). Det antas nå at arbeidere som bruker natriumbisulfat eller kaliumsulfat tarCerium(IV)oksidut av yttrium(III)-oksid og utilsiktet omdanne terbium til et sediment som inneholder cerium. Bare omtrent 1 % av det opprinnelige yttrium(III)-oksidet, nå kjent som «terbium», er nok til å gi yttrium(III)-oksidet en gulaktig farge. Derfor er terbium en sekundær komponent som opprinnelig inneholdt det, og det kontrolleres av sine nærmeste naboer, gadolinium og dysprosium.
Etterpå, hver gang andre sjeldne jordartsmetaller ble separert fra denne blandingen, uavhengig av andelen av oksidet, ble navnet terbium beholdt inntil det brune oksidet av terbium endelig ble oppnådd i ren form. Forskere på 1800-tallet brukte ikke ultrafiolett fluorescensteknologi for å observere knallgule eller grønne noduler (III), noe som gjorde det lettere å gjenkjenne terbium i faste blandinger eller løsninger.
Elektronkonfigurasjon
Elektronkonfigurasjon:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronkonfigurasjonen til terbium er [Xe] 6s24f9. Normalt kan bare tre elektroner fjernes før kjerneladningen blir for stor til å bli ytterligere ionisert, men i tilfellet med terbium tillater halvfylt terbium at det fjerde elektronet ioniseres ytterligere i nærvær av svært sterke oksidanter som fluorgass.
Terbium er et sølvhvitt sjeldent jordmetall med duktilitet, seighet og mykhet som kan skjæres med kniv. Smeltepunkt 1360 ℃, kokepunkt 3123 ℃, tetthet 8229 4 kg/m3. Sammenlignet med det tidlige lantanidet er det relativt stabilt i luften. Som det niende elementet i lantanid er terbium et metall med sterk elektrisitet. Det reagerer med vann og danner hydrogen.
I naturen har terbium aldri blitt funnet å være et fritt element, og en liten mengde av dette finnes i fosfoserium-thoriumsand og gadolinitt. Terbium sameksisterer med andre sjeldne jordartsmetaller i monazittsand, med et generelt terbiuminnhold på 0,03 % terbium. Andre kilder er xenotim og svarte sjeldne gullmalmer, som begge er blandinger av oksider og inneholder opptil 1 % terbium.
Søknad
Bruken av terbium omfatter hovedsakelig høyteknologiske felt, som er teknologiintensive og kunnskapsintensive banebrytende prosjekter, samt prosjekter med betydelige økonomiske fordeler, med attraktive utviklingsutsikter.
De viktigste bruksområdene inkluderer:
(1) Brukes i form av blandede sjeldne jordarter. For eksempel brukes det som en gjødselblanding av sjeldne jordarter og fôrtilsetningsstoff i landbruket.
(2) Aktivator for grønt pulver i tre primære fluorescerende pulver. Moderne optoelektroniske materialer krever bruk av tre grunnfarger av fosfor, nemlig rød, grønn og blå, som kan brukes til å syntetisere forskjellige farger. Og terbium er en uunnværlig komponent i mange grønne fluorescerende pulver av høy kvalitet.
(3) Brukes som magnetooptisk lagringsmateriale. Tynne filmer av amorfe metallterbium-overgangsmetalllegeringer har blitt brukt til å produsere magnetooptiske plater med høy ytelse.
(4) Produksjon av magnetooptisk glass. Faradays roterende glass som inneholder terbium er et nøkkelmateriale for produksjon av rotatorer, isolatorer og sirkulatorer innen laserteknologi.
(5) Utviklingen og videreutviklingen av terbiumdysprosium-ferromagnetostriktiv legering (TerFenol) har åpnet for nye bruksområder for terbium.
For landbruk og husdyrhold
Sjelden jordartsmetall terbium kan forbedre kvaliteten på avlinger og øke fotosyntesehastigheten innenfor et visst konsentrasjonsområde. Terbiumkomplekser har høy biologisk aktivitet. Ternære komplekser av terbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, har gode antibakterielle og bakteriedrepende effekter på Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis og Escherichia coli. De har et bredt antibakterielt spektrum. Studiet av slike komplekser gir en ny forskningsretning for moderne bakteriedrepende legemidler.
Brukes innen luminescens
Moderne optoelektroniske materialer krever bruk av tre grunnfarger fosfor, nemlig rød, grønn og blå, som kan brukes til å syntetisere forskjellige farger. Terbium er en uunnværlig komponent i mange grønne fluorescerende pulver av høy kvalitet. Hvis fremveksten av rødt fluorescerende pulver av sjeldne jordartsmetaller for farge-TV har stimulert etterspørselen etter yttrium og europium, har bruken og utviklingen av terbium blitt fremmet av grønt fluorescerende pulver av sjeldne jordartsmetaller med tre primærfarger for lamper. Tidlig på 1980-tallet oppfant Philips verdens første kompakte energisparende lysrør og markedsførte den raskt globalt. Tb3+-ioner kan avgi grønt lys med en bølgelengde på 545 nm, og nesten alle grønne fosforer av sjeldne jordartsmetaller bruker terbium som aktivator.
Grønt fosfor for katodestrålerør (CRT) i farge-TV har alltid vært basert på sinksulfid, som er billig og effektivt, men terbiumpulver har alltid blitt brukt som grønt fosfor for projeksjonsfarge-TV, inkludert Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ og LaOBr ∶ Tb3+. Med utviklingen av storskjerm-HDTV (high-definition TV) utvikles også høypresterende grønt fluorescerende pulver for CRT-er. For eksempel har et hybrid grønt fluorescerende pulver blitt utviklet i utlandet, bestående av Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ og Y2SiO5:Tb3+, som har utmerket luminescenseffektivitet ved høy strømtetthet.
Det tradisjonelle røntgenfluorescerende pulveret er kalsiumwolframat. På 1970- og 1980-tallet ble det utviklet sjeldne jordartsfosforer for intensiveringsskjermer, som terbiumaktivert svovellantanoksid, terbiumaktivert bromlantanoksid (for grønne skjermer), terbiumaktivert svovelyttrium(III)oksid, osv. Sammenlignet med kalsiumwolframat kan sjeldne jordartsfluorescerende pulver redusere tiden for røntgenbestråling for pasienter med 80 %, forbedre oppløsningen til røntgenfilmer, forlenge levetiden til røntgenrør og redusere energiforbruket. Terbium brukes også som en fluorescerende pulveraktivator for medisinske røntgenforsterkningsskjermer, noe som kan forbedre følsomheten til røntgenkonvertering til optiske bilder betraktelig, forbedre klarheten til røntgenfilmer og redusere eksponeringsdosen av røntgenstråler til menneskekroppen betraktelig (med mer enn 50 %).
Terbium brukes også som aktivator i hvitt LED-fosfor som eksiteres av blått lys for ny halvlederbelysning. Det kan brukes til å produsere terbiumaluminium magnetooptiske krystallfosforer, ved å bruke blå lysdioder som eksitasjonslyskilder, og den genererte fluorescensen blandes med eksitasjonslyset for å produsere rent hvitt lys.
Elektroluminescerende materialer laget av terbium består hovedsakelig av sinksulfidgrønt fosfor med terbium som aktivator. Under ultrafiolett bestråling kan organiske komplekser av terbium avgi sterk grønn fluorescens og kan brukes som tynnfilms elektroluminescerende materialer. Selv om det har blitt gjort betydelige fremskritt i studiet av elektroluminescerende tynnfilmer av sjeldne jordartsmetaller med organiske komplekser, er det fortsatt et visst gap fra det praktiske, og forskningen på elektroluminescerende tynnfilmer og enheter av sjeldne jordartsmetaller med organiske komplekser er fortsatt i dybden.
Fluorescensegenskapene til terbium brukes også som fluorescensprober. For eksempel ble Ofloxacin terbium (Tb3+) fluorescenssonde brukt til å studere interaksjonen mellom Ofloxacin terbium (Tb3+) kompleks og DNA (DNA) ved hjelp av fluorescensspektrum og absorpsjonsspektrum, noe som indikerer at Ofloxacin Tb3+-sonden kan danne en groove-binding med DNA-molekyler, og DNA kan forbedre fluorescensen til Ofloxacin Tb3+-systemet betydelig. Basert på denne endringen kan DNA bestemmes.
For magnetooptiske materialer
Materialer med Faraday-effekt, også kjent som magneto-optiske materialer, er mye brukt i lasere og andre optiske enheter. Det finnes to vanlige typer magneto-optiske materialer: magneto-optiske krystaller og magneto-optisk glass. Blant dem har magneto-optiske krystaller (som yttriumjerngranat og terbiumgalliumgranat) fordelene med justerbar driftsfrekvens og høy termisk stabilitet, men de er dyre og vanskelige å produsere. I tillegg har mange magneto-optiske krystaller med høy Faraday-rotasjonsvinkel høy absorpsjon i kortbølgeområdet, noe som begrenser bruken av dem. Sammenlignet med magneto-optiske krystaller har magneto-optisk glass fordelen med høy transmittans og er enkelt å lage til store blokker eller fibre. For tiden er magneto-optiske glass med høy Faraday-effekt hovedsakelig glass dopet med sjeldne jordartsmetaller.
Brukes til magnetooptiske lagringsmaterialer
I de senere årene, med den raske utviklingen av multimedia og kontorautomatisering, har etterspørselen etter nye magnetiske plater med høy kapasitet økt. Amorfe metall-terbium-overgangsmetalllegeringsfilmer har blitt brukt til å produsere magneto-optiske plater med høy ytelse. Blant dem har den tynne filmen av TbFeCo-legeringen den beste ytelsen. Terbiumbaserte magneto-optiske materialer har blitt produsert i stor skala, og magneto-optiske plater laget av dem brukes som datamaskinlagringskomponenter, med lagringskapasitet som økes med 10–15 ganger. De har fordelene med stor kapasitet og rask tilgangshastighet, og kan tørkes og belegges titusenvis av ganger når de brukes til optiske plater med høy tetthet. De er viktige materialer innen elektronisk informasjonslagringsteknologi. Det mest brukte magneto-optiske materialet i det synlige og nær-infrarøde båndet er terbium-gallium-granat (TGG) enkeltkrystall, som er det beste magneto-optiske materialet for å lage Faraday-rotatorer og -isolatorer.
For magnetooptisk glass
Faradays magnetooptiske glass har god gjennomsiktighet og isotropi i det synlige og infrarøde området, og kan danne forskjellige komplekse former. Det er enkelt å produsere store produkter og kan trekkes til optiske fibre. Derfor har det brede bruksområder i magnetooptiske enheter som magnetooptiske isolatorer, magnetooptiske modulatorer og fiberoptiske strømsensorer. På grunn av det store magnetiske momentet og den lille absorpsjonskoeffisienten i det synlige og infrarøde området, har Tb3+-ioner blitt vanlige sjeldne jordartsmetaller i magnetooptiske glass.
Terbium dysprosium ferromagnetostriktiv legering
På slutten av det 20. århundre, med den stadig dypere vitenskapelige og teknologiske revolusjonen i verden, dukket det opp nye anvendte materialer av sjeldne jordarter raskt. I 1984 utviklet Iowa State University i USA, Ames Laboratory i det amerikanske energidepartementet og US Navy Surface Weapons Research Center (hovedpersonellet i det senere etablerte American Edge Technology Company (ET REMA) kom fra senteret) i fellesskap et nytt smart-materiale av sjeldne jordarter, nemlig terbiumdysprosium-jerngigantmagnetostriktivt materiale. Dette nye smart-materialet har de utmerkede egenskapene at det raskt konverterer elektrisk energi til mekanisk energi. Undervanns- og elektroakustiske transdusere laget av dette gigantiske magnetostriktive materialet har blitt vellykket konfigurert i marint utstyr, høyttalere for oljebrønndeteksjon, støy- og vibrasjonskontrollsystemer, samt havutforskning og underjordiske kommunikasjonssystemer. Derfor, så snart det magnetostriktive materialet av terbiumdysprosium-jerngigant ble født, fikk det bred oppmerksomhet fra industrialiserte land over hele verden. Edge Technologies i USA begynte å produsere terbiumdysprosium-jerngigantmagnetostriktive materialer i 1989 og kalte dem Terfenol D. Deretter utviklet også Sverige, Japan, Russland, Storbritannia og Australia magnetostriktive materialer av terbiumdysprosium-jerngigant.
Fra historien om utviklingen av dette materialet i USA, er både oppfinnelsen av materialet og dets tidlige monopolistiske anvendelser direkte knyttet til militærindustrien (som marinen). Selv om Kinas militære og forsvarsdepartementer gradvis styrker sin forståelse av dette materialet. Etter at Kinas omfattende nasjonale makt har økt betydelig, vil imidlertid kravene til å realisere den militære konkurransestrategien i det 21. århundre og forbedre utstyrsnivået utvilsomt være svært presserende. Derfor vil den utbredte bruken av terbiumdysprosiumjerngigantmagnetostriktive materialer av militære og nasjonale forsvarsdepartementer være en historisk nødvendighet.
Kort sagt, de mange utmerkede egenskapene til terbium gjør det til et uunnværlig medlem av mange funksjonelle materialer og en uerstattelig posisjon innen noen bruksområder. På grunn av den høye prisen på terbium har folk imidlertid studert hvordan man kan unngå og minimere bruken av terbium for å redusere produksjonskostnadene. For eksempel bør sjeldne jordartsmetaller også bruke billig dysprosiumjernkobolt eller gadoliniumterbiumkobolt så mye som mulig. Prøv å redusere innholdet av terbium i det grønne fluorescerende pulveret som må brukes. Pris har blitt en viktig faktor som begrenser den utbredte bruken av terbium. Men mange funksjonelle materialer kan ikke klare seg uten det, så vi må følge prinsippet om å "bruke godt stål på bladet" og prøve å spare bruken av terbium så mye som mulig.
Publisert: 05.07.2023