Terbiumbehoort tot de categorie zwaarzeldzame aarden, met een lage abundantie in de aardkorst van slechts 1,1 ppm. Terbiumoxide vertegenwoordigt minder dan 0,01% van de totale hoeveelheid zeldzame aarden. Zelfs in het zware zeldzame aarderts met een hoog yttriumgehalte en het hoogste terbiumgehalte, vertegenwoordigt het terbiumgehalte slechts 1,1-1,2% van de totale hoeveelheid zeldzame aarden, wat aangeeft dat het tot de "edele" categorie zeldzame aarden behoort. Al meer dan 100 jaar, sinds de ontdekking van terbium in 1843, hebben de schaarste en de hoge waarde ervan de praktische toepassing ervan lange tijd verhinderd. Pas de afgelopen 30 jaar heeft terbium zijn unieke talent getoond.
Geschiedenis ontdekken
De Zweedse chemicus Carl Gustaf Mosander ontdekte terbium in 1843. Hij vond de onzuiverheden ervan inYttrium(III)oxideEnY2O3Yttrium is vernoemd naar het Zweedse dorp Ytterby. Vóór de opkomst van ionenwisselingstechnologie werd terbium niet in zuivere vorm geïsoleerd.
Mosant verdeelde Yttrium(III)oxide eerst in drie delen, die allemaal naar ertsen vernoemd zijn: Yttrium(III)oxide,Erbium(III)oxideen terbiumoxide. Terbiumoxide bestond oorspronkelijk uit een roze deel, vanwege het element dat nu bekendstaat als erbium. "Erbium(III)oxide" (inclusief wat we nu terbium noemen) was oorspronkelijk het vrijwel kleurloze deel in de oplossing. Het onoplosbare oxide van dit element wordt als bruin beschouwd.
Latere arbeiders konden het kleine kleurloze "Erbium(III)oxide" nauwelijks waarnemen, maar het oplosbare roze deel kon niet worden genegeerd. Er zijn herhaaldelijk discussies ontstaan over het bestaan van Erbium(III)oxide. In de chaos werd de oorspronkelijke naam omgedraaid en de naamswisseling bleef steken, waardoor het roze deel uiteindelijk werd vermeld als een oplossing die erbium bevatte (in de oplossing was het roze). Men neemt nu aan dat arbeiders die natriumbisulfaat of kaliumsulfaat gebruiken,Cerium(IV)oxideYttrium(III)oxide en verandert onbedoeld terbium in een sediment dat cerium bevat. Slechts ongeveer 1% van het oorspronkelijke yttrium(III)oxide, nu bekend als "terbium", is voldoende om yttrium(III)oxide een gelige kleur te geven. Daarom is terbium een secundaire component die het oorspronkelijk bevatte, en wordt het gereguleerd door zijn directe buren, gadolinium en dysprosium.
Vervolgens, wanneer andere zeldzame aardmetalen uit dit mengsel werden gescheiden, ongeacht het oxidegehalte, bleef de naam terbium behouden totdat uiteindelijk het bruine oxide van terbium in zuivere vorm werd verkregen. Onderzoekers in de 19e eeuw gebruikten geen ultravioletfluorescentietechnologie om heldergele of groene knobbeltjes (III) te observeren, waardoor terbium gemakkelijker te herkennen was in vaste mengsels of oplossingen.
Elektronenconfiguratie
Elektronenconfiguratie:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
De elektronenconfiguratie van terbium is [Xe] 6s24f9. Normaal gesproken kunnen slechts drie elektronen worden verwijderd voordat de kernlading te groot wordt om verder geïoniseerd te worden. In het geval van terbium zorgt halfgevuld terbium er echter voor dat het vierde elektron verder geïoniseerd kan worden in aanwezigheid van zeer sterke oxidatiemiddelen zoals fluorgas.
Terbium is een zilverwit zeldzaam aardmetaal met ductiliteit, taaiheid en zachtheid, waardoor het met een mes kan worden gesneden. Smeltpunt 1360 °C, kookpunt 3123 °C, dichtheid 8229,4 kg/m³. Vergeleken met de vroege lanthanide is terbium relatief stabiel in de lucht. Als negende element van lanthanide is terbium een metaal met sterke elektriciteit. Het reageert met water tot waterstof.
In de natuur is terbium nooit als vrij element aangetroffen; een kleine hoeveelheid ervan komt voor in fosfocerium-thoriumzand en gadoliniet. Terbium komt samen met andere zeldzame aardmetalen voor in monazietzand, met een terbiumgehalte van doorgaans 0,03%. Andere bronnen zijn Xenotime en zeldzame zwarte goudertsen, beide mengsels van oxiden en bevatten tot 1% terbium.
Sollicitatie
De toepassing van terbium vindt vooral plaats in hightechsectoren, waarbij het gaat om technologie- en kennisintensieve grensverleggende projecten, maar ook om projecten met aanzienlijke economische voordelen en aantrekkelijke ontwikkelingsperspectieven.
De belangrijkste toepassingsgebieden zijn:
(1) Gebruikt in de vorm van gemengde zeldzame aarden. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt als meststof voor zeldzame aarden en als veevoeradditief voor de landbouw.
(2) Activator voor groen poeder in drie primaire fluorescentiepoeders. Moderne opto-elektronische materialen vereisen het gebruik van drie basiskleuren fosfor, namelijk rood, groen en blauw, waarmee verschillende kleuren kunnen worden gesynthetiseerd. Bovendien is terbium een onmisbaar onderdeel in veel hoogwaardige groene fluorescentiepoeders.
(3) Gebruikt als magneto-optisch opslagmateriaal. Dunne films van amorfe metaal-terbium-overgangsmetaallegeringen zijn gebruikt voor de productie van hoogwaardige magneto-optische schijven.
(4) De productie van magneto-optisch glas. Faraday-rotatieglas met terbium is een belangrijk materiaal voor de productie van rotatoren, isolatoren en circulatoren in lasertechnologie.
(5) De ontwikkeling en ontwikkeling van terbium dysprosium ferromagnetostrictieve legering (TerFenol) heeft nieuwe toepassingen voor terbium geopend.
Voor landbouw en veeteelt
Zeldzame aarden terbium kunnen de kwaliteit van gewassen verbeteren en de fotosynthesesnelheid binnen een bepaald concentratiebereik verhogen. Terbiumcomplexen hebben een hoge biologische activiteit. Ternaire complexen van terbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, hebben een goede antibacteriële en bactericide werking op Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis en Escherichia coli. Ze hebben een breed antibacterieel spectrum. De studie van dergelijke complexen biedt een nieuwe onderzoeksrichting voor moderne bactericide geneesmiddelen.
Wordt gebruikt op het gebied van luminescentie
Moderne opto-elektronische materialen vereisen het gebruik van drie basiskleuren fosfor, namelijk rood, groen en blauw, waarmee verschillende kleuren kunnen worden gesynthetiseerd. Terbium is een onmisbaar onderdeel van veel hoogwaardige groene fluorescentiepoeders. Als de komst van zeldzame-aardekleuren rood fluorescentiepoeder voor televisie de vraag naar yttrium en europium heeft gestimuleerd, dan zijn de toepassing en ontwikkeling van terbium bevorderd door zeldzame-aardekleuren groen fluorescentiepoeder voor lampen. Begin jaren 80 vond Philips 's werelds eerste compacte energiebesparende fluorescentielamp uit en promootte deze snel wereldwijd. Tb3+-ionen kunnen groen licht uitzenden met een golflengte van 545 nm, en bijna alle zeldzame-aarde groene fosforen gebruiken terbium als activator.
De groene fosfor voor kleurentelevisies (CRT's) is altijd gebaseerd geweest op zinksulfide, dat goedkoop en efficiënt is. Terbiumpoeder is echter altijd gebruikt als groene fosfor voor projectiekleurentelevisies, waaronder Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ en LaOBr ∶ Tb3+. Met de ontwikkeling van grootbeeldtelevisies (HDTV's) worden ook hoogwaardige groene fluorescentiepoeders voor CRT's ontwikkeld. Zo is er in het buitenland een hybride groen fluorescentiepoeder ontwikkeld, bestaande uit Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ en Y2SiO5: Tb3+, die een uitstekende luminescentie-efficiëntie hebben bij een hoge stroomdichtheid.
Het traditionele röntgenfluorescentiepoeder is calciumwolframaat. In de jaren 70 en 80 werden zeldzame-aardefosforen ontwikkeld voor versterkingsschermen, zoals terbium-geactiveerd zwavellanthaanoxide, terbium-geactiveerd broomlanthaanoxide (voor groene schermen), terbium-geactiveerd zwavelyttrium(III)oxide, enz. Vergeleken met calciumwolframaat kan zeldzame-aardefluorescentiepoeder de röntgenbestralingstijd van patiënten met 80% verkorten, de resolutie van röntgenfilms verbeteren, de levensduur van röntgenbuizen verlengen en het energieverbruik verlagen. Terbium wordt ook gebruikt als activator voor fluorescerend poeder voor medische röntgenversterkingsschermen, wat de gevoeligheid van röntgenconversie naar optische beelden aanzienlijk kan verbeteren, de helderheid van röntgenfilms kan verbeteren en de blootstellingsdosis van het menselijk lichaam aan röntgenstraling aanzienlijk kan verlagen (met meer dan 50%).
Terbium wordt ook gebruikt als activator in de witte LED-fosfor die door blauw licht wordt geactiveerd voor nieuwe halfgeleiderverlichting. Het kan worden gebruikt om terbium-aluminium magneto-optische kristalfosfor te produceren, waarbij blauwe lichtgevende diodes als excitatielichtbronnen worden gebruikt. De gegenereerde fluorescentie wordt gemengd met het excitatielicht om zuiver wit licht te produceren.
De elektroluminescentiematerialen van terbium bevatten voornamelijk zinksulfidegroen fosfor met terbium als activator. Onder ultraviolette bestraling kunnen organische complexen van terbium sterke groene fluorescentie uitzenden en kunnen ze worden gebruikt als dunne elektroluminescentiematerialen. Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt in het onderzoek naar elektroluminescentiefilms met zeldzame-aarde-organische complexen, bestaat er nog steeds een zekere kloof ten opzichte van de praktische toepasbaarheid. Het onderzoek naar elektroluminescentiefilms en -componenten met zeldzame-aarde-organische complexen is nog in volle gang.
De fluorescentie-eigenschappen van terbium worden ook gebruikt als fluorescentieprobes. Zo werd de Ofloxacine-terbium (Tb3+) fluorescentieprobe gebruikt om de interactie tussen het Ofloxacine-terbium (Tb3+) complex en DNA (DNA) te bestuderen met behulp van het fluorescentiespectrum en absorptiespectrum. Dit wijst erop dat de Ofloxacine Tb3+ probe een groef kan vormen die zich bindt met DNA-moleculen, en dat DNA de fluorescentie van het Ofloxacine Tb3+ systeem aanzienlijk kan verbeteren. Op basis van deze verandering kan DNA worden bepaald.
Voor magneto-optische materialen
Materialen met het Faraday-effect, ook wel magneto-optische materialen genoemd, worden veel gebruikt in lasers en andere optische apparaten. Er zijn twee veelvoorkomende soorten magneto-optische materialen: magneto-optische kristallen en magneto-optisch glas. Magneto-optische kristallen (zoals yttrium-ijzer-granaat en terbium-gallium-granaat) hebben de voordelen van een instelbare werkfrequentie en een hoge thermische stabiliteit, maar ze zijn duur en moeilijk te vervaardigen. Bovendien hebben veel magneto-optische kristallen met een hoge Faraday-rotatiehoek een hoge absorptie in het kortegolfbereik, wat hun gebruik beperkt. Vergeleken met magneto-optische kristallen heeft magneto-optisch glas het voordeel van een hoge transmissie en is het gemakkelijk te verwerken tot grote blokken of vezels. Momenteel zijn magneto-optische glazen met een hoog Faraday-effect voornamelijk zeldzame-aarde-ionen-gedoteerde glazen.
Wordt gebruikt voor magneto-optische opslagmaterialen
De laatste jaren is de vraag naar nieuwe magnetische schijven met hoge capaciteit, dankzij de snelle ontwikkeling van multimedia en kantoorautomatisering, toegenomen. Amorfe metaal-terbium-overgangsmetaallegeringsfilms worden gebruikt voor de productie van hoogwaardige magneto-optische schijven. De dunne film van de TbFeCo-legering presteert het best. Magneto-optische materialen op basis van terbium worden op grote schaal geproduceerd en magneto-optische schijven die hiervan worden gemaakt, worden gebruikt als componenten voor computeropslag, met een 10-15 keer grotere opslagcapaciteit. Ze bieden voordelen zoals een grote capaciteit en een hoge toegangssnelheid, en kunnen tienduizenden keren worden gewist en gecoat wanneer ze worden gebruikt voor optische schijven met hoge dichtheid. Het zijn belangrijke materialen in de technologie voor elektronische informatieopslag. Het meest gebruikte magneto-optische materiaal in de zichtbare en nabij-infrarode banden is Terbium Gallium Garnet (TGG) monokristal, het beste magneto-optische materiaal voor de productie van Faraday-rotatoren en -isolatoren.
Voor magneto-optisch glas
Magneto-optisch glas van Faraday heeft een goede transparantie en isotropie in het zichtbare en infrarode bereik en kan diverse complexe vormen aannemen. Het is gemakkelijk te produceren met grote producten en kan tot optische vezels worden getrokken. Daarom heeft het brede toepassingsmogelijkheden in magneto-optische apparaten zoals magneto-optische isolatoren, magneto-optische modulatoren en glasvezelstroomsensoren. Vanwege het grote magnetische moment en de lage absorptiecoëfficiënt in het zichtbare en infrarode bereik zijn Tb3+-ionen veelgebruikte zeldzame-aarde-ionen geworden in magneto-optisch glas.
Terbium dysprosium ferromagnetostrictieve legering
Aan het einde van de 20e eeuw, met de verdieping van de wereldwijde wetenschappelijke en technologische revolutie, ontstonden er snel nieuwe toegepaste materialen op basis van zeldzame aarden. In 1984 ontwikkelden de Iowa State University (Verenigde Staten), het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en het US Navy Surface Weapons Research Center (het belangrijkste personeel van de later opgerichte American Edge Technology Company (ET REMA) kwam uit het centrum) gezamenlijk een nieuw Smart-materiaal voor zeldzame aarden, namelijk het magnetostrictieve materiaal van het type terbium dysprosium-ijzerreus. Dit nieuwe Smart-materiaal heeft de uitstekende eigenschappen om elektrische energie snel om te zetten in mechanische energie. De onderwater- en elektroakoestische transducers van dit magnetostrictieve materiaal zijn met succes toegepast in marineapparatuur, luidsprekers voor het detecteren van oliebronnen, geluids- en trillingscontrolesystemen en systemen voor oceaanexploratie en ondergrondse communicatie. Zodra het magnetostrictieve materiaal van het type terbium dysprosium-ijzerreus werd geboren, kreeg het dan ook brede aandacht van geïndustrialiseerde landen over de hele wereld. Edge Technologies in de Verenigde Staten begon in 1989 met de productie van terbium dysprosium ijzerreuzen magnetostrictieve materialen en noemde deze Terfenol D. Later ontwikkelden Zweden, Japan, Rusland, het Verenigd Koninkrijk en Australië ook terbium dysprosium ijzerreuzen magnetostrictieve materialen.
Gezien de geschiedenis van de ontwikkeling van dit materiaal in de Verenigde Staten, zijn zowel de uitvinding ervan als de vroege monopolistische toepassingen ervan direct gerelateerd aan de militaire industrie (zoals de marine). Hoewel de Chinese defensie- en militaire ministeries geleidelijk hun kennis van dit materiaal vergroten, zullen de eisen voor het realiseren van de militaire concurrentiestrategie in de 21e eeuw en het verbeteren van het uitrustingsniveau echter zeer urgent zijn, nu China's alomvattende nationale macht aanzienlijk is toegenomen. Daarom zal het wijdverbreide gebruik van terbium dysprosium-ijzerreuzenmagnetostrictieve materialen door defensie- en militaire ministeries een historische noodzaak zijn.
Kortom, de vele uitstekende eigenschappen van terbium maken het een onmisbaar onderdeel van veel functionele materialen en een onvervangbare positie in sommige toepassingsgebieden. Vanwege de hoge prijs van terbium is er echter onderzoek gedaan naar hoe het gebruik ervan kan worden vermeden en geminimaliseerd om de productiekosten te verlagen. Zo zouden zeldzame aardmetalen magneto-optische materialen zoveel mogelijk gebruik moeten maken van het goedkope dysprosium-ijzer-kobalt of gadolinium-terbium-kobalt; probeer het terbiumgehalte in het te gebruiken groene fluorescerende poeder te verminderen. Prijs is een belangrijke factor geworden die het wijdverbreide gebruik van terbium beperkt. Maar veel functionele materialen kunnen niet zonder, dus moeten we vasthouden aan het principe van "het gebruik van goed staal op het lemmet" en proberen het gebruik van terbium zoveel mogelijk te beperken.
Plaatsingstijd: 5 juli 2023