Terbijspada v kategorijo težkihredke zemlje, z majhno številčnostjo v zemeljski skorji le 1,1 ppm. Terbijev oksid predstavlja manj kot 0,01 % vseh redkih zemelj. Tudi v težki rudi redkih zemelj z visoko vsebnostjo itrijevih ionov z najvišjo vsebnostjo terbija predstavlja vsebnost terbija le 1,1–1,2 % skupne redke zemlje, kar kaže, da spada v »plemenito« kategorijo elementov redkih zemelj. Več kot 100 let od odkritja terbija leta 1843 sta njegovo pomanjkanje in vrednost dolgo časa onemogočala njegovo praktično uporabo. Šele v zadnjih 30 letih je terbij pokazal svoj edinstven talent.
Odkrivanje zgodovine
Švedski kemik Carl Gustaf Mosander je leta 1843 odkril terbij. Njegove nečistoče je našel vItrijev(III) oksidinY2O3. Itrij je dobil ime po vasi Ytterby na Švedskem. Pred pojavom tehnologije ionske izmenjave terbij ni bil izoliran v svoji čisti obliki.
Mosant je itrijev (III) oksid najprej razdelil na tri dele, vse poimenovane po rudah: itrijev (III) oksid,Erbijev(III) oksidin terbijev oksid. Terbijev oksid je bil prvotno sestavljen iz rožnatega dela zaradi elementa, ki je zdaj znan kot erbij. »Erbijev (III) oksid« (vključno s tem, kar zdaj imenujemo terbij) je bil prvotno v bistvu brezbarven del raztopine. Netopen oksid tega elementa velja za rjavega.
Poznejši delavci skorajda niso mogli opaziti drobnega brezbarvnega »Erbijevega (III) oksida«, vendar topnega rožnatega dela ni bilo mogoče prezreti. Večkrat so se pojavile razprave o obstoju erbijevega(III) oksida. V kaosu se je prvotno ime obrnilo in izmenjava imen je obstala, tako da je bil rožnati del na koncu omenjen kot raztopina, ki vsebuje erbij (v raztopini je bil rožnat). Zdaj se verjame, da delavci, ki uporabljajo natrijev bisulfat ali kalijev sulfat, jemljejoCerijev(IV) oksidiz itrijevega (III) oksida in terbij nenamerno spremeni v usedlino, ki vsebuje cerij. Samo približno 1 % prvotnega itrijevega (III) oksida, ki je danes znan kot "terbij", je dovolj, da rumenkasto obarva itrijev (III) oksid. Zato je terbij sekundarna komponenta, ki ga je prvotno vsebovala, nadzorujejo pa ga njegovi neposredni sosedi, gadolinij in disprozij.
Kasneje, ko so bili iz te zmesi ločeni drugi redkozemeljski elementi, ne glede na delež oksida, se je ohranilo ime terbij, dokler končno niso dobili rjavega terbijevega oksida v čisti obliki. Raziskovalci v 19. stoletju niso uporabljali tehnologije ultravijolične fluorescence za opazovanje svetlo rumenih ali zelenih nodulov (III), zaradi česar je bilo terbij lažje prepoznati v trdnih mešanicah ali raztopinah.
Elektronska konfiguracija
Elektronska konfiguracija:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronska konfiguracija terbija je [Xe] 6s24f9. Običajno je mogoče odstraniti samo tri elektrone, preden jedrski naboj postane prevelik za nadaljnjo ionizacijo, toda v primeru terbija delno napolnjeni terbij omogoča nadaljnjo ionizacijo četrtega elektrona v prisotnosti zelo močnih oksidantov, kot je plin fluor.
Terbij je srebrno bela redka zemeljska kovina z duktilnostjo, žilavostjo in mehkobo, ki jo je mogoče rezati z nožem. Tališče 1360 ℃, vrelišče 3123 ℃, gostota 8229 4kg/m3. V primerjavi z zgodnjim lantanidom je razmeroma stabilen na zraku. Terbij je kot deveti element lantanida kovina z močno elektriko. Reagira z vodo in tvori vodik.
V naravi nikoli ni bilo ugotovljeno, da je terbij prosti element, njegova majhna količina obstaja v fosfocerijevem torijevem pesku in gadolinitu. Terbij sobiva z drugimi elementi redkih zemelj v monazitnem pesku, s splošno vsebnostjo terbija 0,03 %. Drugi viri so Xenotime in rude črnega redkega zlata, ki sta mešanici oksidov in vsebujeta do 1 % terbija.
Aplikacija
Uporaba terbija se večinoma nanaša na visoko tehnološka področja, ki so tehnološko intenzivni in z znanjem intenzivni vrhunski projekti, pa tudi projekti z velikimi gospodarskimi koristmi, s privlačnimi razvojnimi obeti.
Glavna področja uporabe vključujejo:
(1) Uporablja se v obliki mešanice redkih zemelj. Uporablja se na primer kot sestavljeno gnojilo iz redkih zemelj in krmni dodatek za kmetijstvo.
(2) Aktivator za zeleni prah v treh primarnih fluorescentnih prahu. Sodobni optoelektronski materiali zahtevajo uporabo treh osnovnih barv fosforja, in sicer rdeče, zelene in modre, s katerimi lahko sintetiziramo različne barve. In terbij je nepogrešljiva sestavina mnogih visokokakovostnih zelenih fluorescenčnih prahov.
(3) Uporablja se kot magnetno optični pomnilniški material. Tanki filmi iz zlitine prehodne kovine amorfne kovine terbija so bili uporabljeni za izdelavo visoko zmogljivih magnetno-optičnih diskov.
(4) Proizvodnja magneto optičnega stekla. Faradayevo rotacijsko steklo, ki vsebuje terbij, je ključni material za izdelavo rotatorjev, izolatorjev in cirkulatorjev v laserski tehnologiji.
(5) Razvoj in razvoj terbij disprozijeve feromagnetostriktivne zlitine (TerFenol) je odprl nove aplikacije za terbij.
Za poljedelstvo in živinorejo
Terbij redke zemlje lahko izboljša kakovost pridelkov in poveča stopnjo fotosinteze v določenem območju koncentracij. Kompleksi terbija imajo visoko biološko aktivnost. Ternarni kompleksi terbija, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, imajo dobre antibakterijske in baktericidne učinke na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis in Escherichia coli. Imajo širok antibakterijski spekter. Preučevanje takšnih kompleksov daje novo raziskovalno usmeritev za sodobna baktericidna zdravila.
Uporablja se na področju luminiscence
Sodobni optoelektronski materiali zahtevajo uporabo treh osnovnih barv fosforja, in sicer rdeče, zelene in modre, s katerimi lahko sintetiziramo različne barve. In terbij je nepogrešljiva sestavina mnogih visokokakovostnih zelenih fluorescenčnih prahov. Če je rojstvo redkozemeljskega barvnega rdečega fluorescenčnega prahu za televizijo spodbudilo povpraševanje po itriju in evropiju, potem sta uporaba in razvoj terbija spodbujala tri primarno barvni zeleni fluorescentni prah redkih zemelj za sijalke. V zgodnjih osemdesetih letih je Philips izumil prvo kompaktno energetsko varčno fluorescentno sijalko na svetu in jo hitro promoviral po vsem svetu. Ioni Tb3+ lahko oddajajo zeleno svetlobo z valovno dolžino 545 nm in skoraj vsi zeleni fosforji redkih zemelj uporabljajo terbij kot aktivator.
Zeleni fosfor za katodno cev barvnih televizorjev (CRT) je vedno temeljil na cinkovem sulfidu, ki je poceni in učinkovit, vendar je bil terbijev prah vedno uporabljen kot zeleni fosfor za projekcijske barvne televizije, vključno z Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+in LaOBr ∶ Tb3+. Z razvojem televizije visoke ločljivosti z velikimi zasloni (HDTV) se razvijajo tudi visokozmogljivi zeleni fluorescenčni prahovi za CRT. V tujini so na primer razvili hibridni zeleni fluorescenčni prah, ki ga sestavljajo Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ in Y2SiO5: Tb3+, ki imajo odlično učinkovitost luminiscence pri visoki gostoti toka.
Tradicionalni rentgenski fluorescentni prah je kalcijev volframat. V 1970-ih in 1980-ih so bili razviti redki zemeljski fosforji za ojačanje zaslonov, kot so terbijem aktiviran žveplov lantanov oksid, terbijem aktiviran brom lantanov oksid (za zelene zaslone), terbijem aktiviran žveplov itrijev (III) oksid itd. V primerjavi s kalcijevim volframatom, fluorescenčni prah redkih zemelj lahko zmanjša čas rentgenskega obsevanja pacientov za 80 %, izboljša ločljivost rentgenskih filmov, podaljša življenjsko dobo rentgenskih cevi in zmanjša porabo energije. Terbij se uporablja tudi kot aktivator fluorescentnega prahu za medicinske zaslone za izboljšanje rentgenskih žarkov, ki lahko močno izboljšajo občutljivost pretvorbe rentgenskih žarkov v optične slike, izboljšajo jasnost rentgenskih filmov in močno zmanjšajo odmerek izpostavljenosti rentgenskim žarkom. žarkov na človeško telo (za več kot 50 %).
Terbij se uporablja tudi kot aktivator v belem fosforju LED, ki ga vzbuja modra svetloba za novo polprevodniško osvetlitev. Uporablja se lahko za proizvodnjo terbij-aluminijevih magnetno-optičnih kristalnih fosforjev z uporabo modrih svetlečih diod kot vzbujevalnih svetlobnih virov, ustvarjena fluorescenca pa se zmeša z vzbujevalno svetlobo, da proizvede čisto belo svetlobo.
Elektroluminiscenčni materiali iz terbija vključujejo predvsem cinkov sulfid zeleni fosfor s terbijem kot aktivatorjem. Pod ultravijoličnim obsevanjem lahko organski kompleksi terbija oddajajo močno zeleno fluorescenco in se lahko uporabljajo kot tankoslojni elektroluminiscenčni materiali. Čeprav je bil dosežen znaten napredek pri preučevanju elektroluminiscenčnih tankih filmov redkih zemeljskih organskih kompleksov, še vedno obstaja določena vrzel glede na praktičnost, raziskave o redkih zemeljskih organskih kompleksnih elektroluminescentnih tankih filmih in napravah pa so še vedno v poglobljeni.
Fluorescenčne lastnosti terbija se uporabljajo tudi kot fluorescenčne sonde. Na primer, fluorescenčna sonda ofloksacin terbija (Tb3+) je bila uporabljena za preučevanje interakcije med kompleksom ofloksacin terbija (Tb3+) in DNK (DNK) s spektrom fluorescence in absorpcijskim spektrom, kar kaže, da lahko sonda ofloksacin Tb3+ tvori žleb, ki se veže z molekulami DNK, in DNK lahko znatno poveča fluorescenco Ofloksacin Tb3+ sistem. Na podlagi te spremembe je mogoče določiti DNK.
Za magnetooptične materiale
Materiali s Faradayevim učinkom, znani tudi kot magnetno-optični materiali, se pogosto uporabljajo v laserjih in drugih optičnih napravah. Obstajata dve pogosti vrsti magnetooptičnih materialov: magnetno optični kristali in magnetno optično steklo. Med njimi imajo magnetooptični kristali (kot sta itrijev železov granat in terbijev galijev granat) prednosti nastavljive delovne frekvence in visoke toplotne stabilnosti, vendar so dragi in jih je težko izdelati. Poleg tega imajo številni magnetno-optični kristali z visokim Faradayevim rotacijskim kotom visoko absorpcijo v območju kratkih valov, kar omejuje njihovo uporabo. V primerjavi z magnetno optičnimi kristali ima magnetno optično steklo prednost visoke prepustnosti in ga je enostavno sestaviti v velike bloke ali vlakna. Trenutno so magnetnooptična stekla z visokim Faradayevim učinkom večinoma stekla, dopirana z ioni redkih zemelj.
Uporablja se za magnetno optične materiale za shranjevanje
V zadnjih letih se s hitrim razvojem multimedije in pisarniške avtomatizacije povečuje povpraševanje po novih visokozmogljivih magnetnih diskih. Filmi iz zlitine prehodne kovine amorfne kovine terbija so bili uporabljeni za izdelavo visoko zmogljivih magnetno-optičnih diskov. Med njimi ima najboljšo zmogljivost tanek film zlitine TbFeCo. Magnetno-optični materiali na osnovi terbija so bili proizvedeni v velikem obsegu in magnetno-optični diski, narejeni iz njih, se uporabljajo kot komponente za shranjevanje računalnikov, pri čemer se zmogljivost shranjevanja poveča za 10-15-krat. Imajo prednosti velike zmogljivosti in visoke hitrosti dostopa ter jih je mogoče več deset tisočkrat obrisati in premazati, če se uporabljajo za optične diske z visoko gostoto. So pomembni materiali v tehnologiji elektronskega shranjevanja informacij. Najpogosteje uporabljen magnetno-optični material v vidnem in bližnjem infrardečem pasu je monokristal Terbium Gallium Garnet (TGG), ki je najboljši magnetno-optični material za izdelavo Faradayevih rotatorjev in izolatorjev.
Za magnetno optično steklo
Magnetno optično steklo Faraday ima dobro prosojnost in izotropijo v vidnem in infrardečem območju ter lahko tvori različne kompleksne oblike. Enostavno je izdelati izdelke velikih dimenzij in ga je mogoče vleči v optična vlakna. Zato ima široke možnosti uporabe v magnetnooptičnih napravah, kot so magnetnooptični izolatorji, magnetnooptični modulatorji in tokovni senzorji iz optičnih vlaken. Zaradi velikega magnetnega momenta in majhnega absorpcijskega koeficienta v vidnem in infrardečem območju so ioni Tb3+ postali pogosto uporabljeni ioni redkih zemelj v magnetooptičnih steklih.
Terbij disprozijeva feromagnetostriktivna zlitina
Ob koncu 20. stoletja, s poglabljanjem svetovne znanstvene in tehnološke revolucije, se hitro pojavljajo novi uporabni materiali redkih zemelj. Leta 1984 so Državna univerza Iowa v Združenih državah Amerike, Amesov laboratorij Ministrstva za energijo Združenih držav Amerike in raziskovalni center ameriške mornarice za površinsko orožje (glavno osebje pozneje ustanovljenega podjetja American Edge Technology Company (ET REMA) prihajalo iz center) so skupaj razvili nov redkozemeljski pametni material, in sicer orjaški magnetostriktivni material terbij disprozij železo. Ta novi Smart material ima odlične lastnosti hitrega pretvarjanja električne energije v mehansko. Podvodni in elektroakustični pretvorniki iz tega velikanskega magnetostriktivnega materiala so bili uspešno konfigurirani v pomorski opremi, zvočnikih za zaznavanje naftnih vrtin, sistemih za nadzor hrupa in vibracij ter raziskovanju oceanov in podzemnih komunikacijskih sistemih. Takoj ko se je rodil orjaški magnetostriktivni material terbij disprozij železo, je bil deležen široke pozornosti industrializiranih držav po vsem svetu. Podjetje Edge Technologies v Združenih državah je leta 1989 začelo proizvajati velikanske magnetostriktivne materiale terbij disprozij železo in jih poimenovalo Terfenol D. Kasneje so Švedska, Japonska, Rusija, Združeno kraljestvo in Avstralija prav tako razvile velikanske magnetostriktivne materiale terbij disprozij železo.
Glede na zgodovino razvoja tega materiala v Združenih državah sta izum materiala in njegove zgodnje monopolne uporabe neposredno povezani z vojaško industrijo (kot je mornarica). Čeprav kitajska vojaška in obrambna ministrstva postopoma krepita svoje razumevanje tega gradiva. Vendar pa bodo po občutnem povečanju celovite nacionalne moči Kitajske zahteve za uresničitev vojaške konkurenčne strategije v 21. stoletju in izboljšanje ravni opreme zagotovo zelo nujne. Zato bo široka uporaba orjaških magnetostriktivnih materialov terbij disprozij železo s strani vojaških in nacionalnih obrambnih oddelkov zgodovinsko nujna.
Skratka, zaradi številnih odličnih lastnosti terbija je nepogrešljiv član mnogih funkcionalnih materialov in nenadomestljiv položaj na nekaterih področjih uporabe. Vendar pa zaradi visoke cene terbija ljudje proučujejo, kako se izogniti in zmanjšati uporabo terbija, da bi zmanjšali proizvodne stroške. Magnetno-optični materiali redkih zemelj bi morali na primer čim bolj uporabljati poceni disprozij železo kobalt ali gadolinij terbij kobalt; Poskusite zmanjšati vsebnost terbija v zelenem fluorescentnem prahu, ki ga morate uporabiti. Cena je postala pomemben dejavnik, ki omejuje široko uporabo terbija. Toda mnogi funkcionalni materiali ne morejo brez njega, zato se moramo držati načela "uporaba dobrega jekla na rezilu" in poskušati čim bolj prihraniti uporabo terbija.
Čas objave: 5. julij 2023