Terbiumtilhører kategorien af tungesjældne jordarter, med en lav forekomst i jordskorpen på kun 1,1 ppm. Terbiumoxid tegner sig for mindre end 0,01% af den samlede mængde sjældne jordarter. Selv i den tunge sjældne jordartmalm med et højt yttriumionindhold og det højeste indhold af terbium, tegner terbiumindholdet sig kun for 1,1-1,2% af den samlede mængde sjældne jordarter, hvilket indikerer, at den tilhører den "ædle" kategori af sjældne jordarter. I over 100 år siden opdagelsen af terbium i 1843 har dens knaphed og værdi i lang tid forhindret dens praktiske anvendelse. Det er først i de sidste 30 år, at terbium har vist sit unikke talent.
Opdage historie
Den svenske kemiker Carl Gustaf Mosander opdagede terbium i 1843. Han fandt dets urenheder iYttrium(III)oxidogY2O3Yttrium er opkaldt efter landsbyen Ytterby i Sverige. Før ionbytningsteknologiens fremkomst blev terbium ikke isoleret i sin rene form.
Mosant delte først yttrium(III)oxid i tre dele, alle opkaldt efter malme: yttrium(III)oxid,Erbium(III)oxid, og terbiumoxid. Terbiumoxid bestod oprindeligt af en lyserød del på grund af det grundstof, der nu er kendt som erbium. "Erbium(III)oxid" (inklusive det, vi nu kalder terbium) var oprindeligt den i det væsentlige farveløse del i opløsningen. Det uopløselige oxid af dette grundstof betragtes som brunt.
Senere kunne arbejdere næppe observere det lille farveløse "Erbium(III)oxid", men den opløselige lyserøde del kunne ikke ignoreres. Debatter om eksistensen af Erbium(III)oxid er opstået gentagne gange. I kaoset blev det oprindelige navn vendt på hovedet, og navnebyttet blev fastlåst, så den lyserøde del til sidst blev nævnt som en opløsning indeholdende erbium (i opløsningen var det lyserødt). Det menes nu, at arbejdere, der bruger natriumbisulfat eller kaliumsulfat, tagerCerium(IV)oxidud af Yttrium(III)oxid og utilsigtet omdanne terbium til et sediment indeholdende cerium. Kun omkring 1% af det oprindelige Yttrium(III)oxid, nu kendt som "terbium", er nok til at give en gullig farve til Yttrium(III)oxid. Derfor er terbium en sekundær komponent, der oprindeligt indeholdt det, og det kontrolleres af dets umiddelbare naboer, gadolinium og dysprosium.
Bagefter, når andre sjældne jordarter blev adskilt fra denne blanding, uanset andelen af oxidet, blev navnet terbium bevaret, indtil det brune oxid af terbium endelig blev opnået i ren form. Forskere i det 19. århundrede brugte ikke ultraviolet fluorescensteknologi til at observere klare gule eller grønne knuder (III), hvilket gjorde det lettere for terbium at blive genkendt i faste blandinger eller opløsninger.
Elektronkonfiguration
Elektronkonfiguration:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronkonfigurationen af terbium er [Xe] 6s24f9. Normalt kan kun tre elektroner fjernes, før kernens ladning bliver for stor til at blive yderligere ioniseret, men i tilfælde af terbium tillader halvfyldt terbium, at den fjerde elektron ioniseres yderligere i nærvær af meget stærke oxidanter såsom fluorgas.
Terbium er et sølvhvidt sjældent jordartsmetal med duktilitet, sejhed og blødhed, der kan skæres med en kniv. Smeltepunkt 1360 ℃, kogepunkt 3123 ℃, densitet 8229 4 kg/m3. Sammenlignet med det tidlige lanthanid er det relativt stabilt i luften. Som det niende element i lanthanid er terbium et metal med stærk elektricitet. Det reagerer med vand og danner hydrogen.
I naturen er terbium aldrig blevet fundet som et frit element, hvoraf en lille mængde findes i fosfoceriumthoriumsand og gadolinit. Terbium sameksisterer med andre sjældne jordarter i monazitsand med et generelt terbiumindhold på 0,03%. Andre kilder er xenotime og sorte sjældne guldmalme, som begge er blandinger af oxider og indeholder op til 1% terbium.
Anvendelse
Anvendelsen af terbium omfatter primært højteknologiske områder, som er teknologiintensive og vidensintensive banebrydende projekter, samt projekter med betydelige økonomiske fordele og attraktive udviklingsmuligheder.
De vigtigste anvendelsesområder omfatter:
(1) Anvendes i form af blandede sjældne jordarter. For eksempel bruges det som en sjælden jordartsblandingsgødning og fodertilsætningsstof til landbrug.
(2) Aktivator til grønt pulver i tre primære fluorescerende pulvere. Moderne optoelektroniske materialer kræver brug af tre grundfarver af fosfor, nemlig rød, grøn og blå, som kan bruges til at syntetisere forskellige farver. Og terbium er en uundværlig komponent i mange grønne fluorescerende pulvere af høj kvalitet.
(3) Anvendes som magneto-optisk lagringsmateriale. Tyndfilm af amorfe metal-terbium-overgangsmetallegeringer er blevet brugt til at fremstille højtydende magneto-optiske diske.
(4) Fremstilling af magnetooptisk glas. Faradays roterende glas indeholdende terbium er et nøglemateriale til fremstilling af rotatorer, isolatorer og cirkulatorer inden for laserteknologi.
(5) Udviklingen og videreudviklingen af terbiumdysprosium-ferromagnetostriktivlegering (TerFenol) har åbnet op for nye anvendelser af terbium.
Til landbrug og husdyrhold
Sjælden jordartsmetaller som terbium kan forbedre afgrøders kvalitet og øge fotosyntesens hastighed inden for et bestemt koncentrationsområde. Terbiumkomplekser har høj biologisk aktivitet. Ternære komplekser af terbium, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, har gode antibakterielle og bakteriedræbende virkninger på Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis og Escherichia coli. De har et bredt antibakterielt spektrum. Undersøgelsen af sådanne komplekser giver en ny forskningsretning for moderne bakteriedræbende lægemidler.
Anvendes inden for luminescens
Moderne optoelektroniske materialer kræver brug af tre grundfarver fosfor, nemlig rød, grøn og blå, som kan bruges til at syntetisere forskellige farver. Og terbium er en uundværlig komponent i mange grønne fluorescerende pulvere af høj kvalitet. Hvis fødslen af rødt fluorescerende pulver af sjældne jordarters farve-TV har stimuleret efterspørgslen efter yttrium og europium, så er anvendelsen og udviklingen af terbium blevet fremmet af grønt fluorescerende pulver af sjældne jordarters tre primære farver til lamper. I begyndelsen af 1980'erne opfandt Philips verdens første kompakte energibesparende lysstofrør og promoverede den hurtigt globalt. Tb3+-ioner kan udsende grønt lys med en bølgelængde på 545 nm, og næsten alle grønne fosforer af sjældne jordarter bruger terbium som aktivator.
Den grønne fosfor til farve-tv-katodestrålerør (CRT) har altid været baseret på zinksulfid, som er billig og effektiv, men terbiumpulveret har altid været brugt som den grønne fosfor til projektionsfarve-tv, herunder Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ og LaOBr ∶ Tb3+. Med udviklingen af storskærms-HDTV (high definition television) udvikles der også højtydende grønne fluorescerende pulvere til CRT'er. For eksempel er der i udlandet blevet udviklet et hybrid grønt fluorescerende pulver, der består af Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ og Y2SiO5:Tb3+, som har fremragende luminescenseffektivitet ved høj strømtæthed.
Det traditionelle røntgenfluorescerende pulver er calciumwolframat. I 1970'erne og 1980'erne blev sjældne jordartsfosforer til intensiveringsskærme udviklet, såsom terbiumaktiveret svovllantanoxid, terbiumaktiveret bromlantanoxid (til grønne skærme), terbiumaktiveret svovlyttrium(III)oxid osv. Sammenlignet med calciumwolframat kan sjældne jordartsfluorescerende pulver reducere tiden for røntgenbestråling for patienter med 80%, forbedre opløsningen af røntgenfilm, forlænge levetiden for røntgenrør og reducere energiforbruget. Terbium bruges også som en fluorescerende pulveraktivator til medicinske røntgenforstærkningsskærme, hvilket i høj grad kan forbedre følsomheden af røntgenkonvertering til optiske billeder, forbedre klarheden af røntgenfilm og i høj grad reducere eksponeringsdosis af røntgenstråler til den menneskelige krop (med mere end 50%).
Terbium bruges også som aktivator i hvid LED-fosfor, der exciteres af blåt lys, til ny halvlederbelysning. Det kan bruges til at producere terbium-aluminium magneto-optiske krystalfosforer ved hjælp af blå lysdioder som excitationslyskilder, og den genererede fluorescens blandes med excitationslyset for at producere rent hvidt lys.
De elektroluminescerende materialer fremstillet af terbium omfatter hovedsageligt zinksulfidgrøn fosfor med terbium som aktivator. Under ultraviolet bestråling kan organiske komplekser af terbium udsende stærk grøn fluorescens og kan bruges som tyndfilms-elektroluminescerende materialer. Selvom der er gjort betydelige fremskridt i studiet af elektroluminescerende tyndfilm af sjældne jordarters organiske komplekser, er der stadig et vist hul i forhold til den praktiske anvendelse, og forskningen i elektroluminescerende tyndfilm og -enheder af sjældne jordarters organiske komplekser er stadig i dybden.
Terbiums fluorescenskarakteristika bruges også som fluorescensprober. For eksempel blev Ofloxacin terbium (Tb3+) fluorescenssonde brugt til at undersøge interaktionen mellem Ofloxacin terbium (Tb3+) kompleks og DNA (DNA) ved hjælp af fluorescensspektrum og absorptionsspektrum, hvilket indikerer, at Ofloxacin Tb3+ sonden kan danne en groove-binding med DNA-molekyler, og DNA kan signifikant forstærke fluorescensen af Ofloxacin Tb3+ systemet. Baseret på denne ændring kan DNA bestemmes.
Til magnetooptiske materialer
Materialer med Faraday-effekt, også kendt som magneto-optiske materialer, anvendes i vid udstrækning i lasere og andre optiske enheder. Der er to almindelige typer magneto-optiske materialer: magneto-optiske krystaller og magneto-optisk glas. Blandt dem har magneto-optiske krystaller (såsom yttriumjerngranat og terbiumgalliumgranat) fordelene ved justerbar driftsfrekvens og høj termisk stabilitet, men de er dyre og vanskelige at fremstille. Derudover har mange magneto-optiske krystaller med høj Faraday-rotationsvinkel høj absorption i kortbølgeområdet, hvilket begrænser deres anvendelse. Sammenlignet med magneto-optiske krystaller har magneto-optisk glas fordelen ved høj transmittans og er let at lave til store blokke eller fibre. I øjeblikket er magneto-optiske glas med høj Faraday-effekt hovedsageligt glas dopet med sjældne jordarters ioner.
Anvendes til magnetooptiske lagringsmaterialer
I de senere år, med den hurtige udvikling af multimedier og kontorautomation, er efterspørgslen efter nye magnetiske diske med høj kapacitet steget. Amorfe terbium-overgangsmetallegeringsfilm er blevet brugt til at fremstille højtydende magneto-optiske diske. Blandt dem har TbFeCo-legeringstyndfilmen den bedste ydeevne. Terbiumbaserede magneto-optiske materialer er blevet produceret i stor skala, og magneto-optiske diske fremstillet af dem bruges som computerlagringskomponenter, hvor lagerkapaciteten er øget med 10-15 gange. De har fordelene ved stor kapacitet og hurtig adgangshastighed og kan aftørres og belægges titusindvis af gange, når de bruges til optiske diske med høj densitet. De er vigtige materialer inden for elektronisk informationslagringsteknologi. Det mest almindeligt anvendte magneto-optiske materiale i det synlige og nær-infrarøde bånd er Terbium Gallium Garnet (TGG) enkeltkrystal, som er det bedste magneto-optiske materiale til fremstilling af Faraday-rotatorer og -isolatorer.
Til magnetooptisk glas
Faradays magnetooptiske glas har god transparens og isotropi i det synlige og infrarøde område og kan danne forskellige komplekse former. Det er nemt at producere store produkter og kan trækkes til optiske fibre. Derfor har det brede anvendelsesmuligheder i magnetooptiske enheder såsom magnetooptiske isolatorer, magnetooptiske modulatorer og fiberoptiske strømsensorer. På grund af dets store magnetiske moment og lille absorptionskoefficient i det synlige og infrarøde område er Tb3+-ioner blevet almindeligt anvendte sjældne jordarters ioner i magnetooptiske briller.
Terbiumdysprosium ferromagnetostriktiv legering
I slutningen af det 20. århundrede, med den uddybende verdensvidenskabelige og teknologiske revolution, dukkede nye sjældne jordarters anvendte materialer hurtigt op. I 1984 udviklede Iowa State University i USA, Ames Laboratory i det amerikanske energiministerium og US Navy Surface Weapons Research Center (hovedpersonalet i det senere etablerede American Edge Technology Company (ET REMA) kom fra centret) i fællesskab et nyt sjældent jordarts-Smart-materiale, nemlig terbiumdysprosium-jerngigantmagnetostriktivt materiale. Dette nye Smart-materiale har de fremragende egenskaber, at det hurtigt omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. De undervands- og elektroakustiske transducere lavet af dette gigantiske magnetostriktive materiale er med succes blevet konfigureret i flådeudstyr, oliebrønddetektionshøjttalere, støj- og vibrationskontrolsystemer samt havudforskning og underjordiske kommunikationssystemer. Derfor, så snart det magnetostriktive terbiumdysprosium-jerngigantmateriale blev født, fik det udbredt opmærksomhed fra industrialiserede lande over hele verden. Edge Technologies i USA begyndte at producere terbiumdysprosium-jernkæmpemagnetostriktive materialer i 1989 og kaldte dem Terfenol D. Efterfølgende udviklede Sverige, Japan, Rusland, Storbritannien og Australien også terbiumdysprosium-jernkæmpemagnetostriktive materialer.
Fra historien om udviklingen af dette materiale i USA er både opfindelsen af materialet og dets tidlige monopolistiske anvendelser direkte relateret til militærindustrien (såsom flåden). Selvom Kinas militær- og forsvarsministerier gradvist styrker deres forståelse af dette materiale. Men efter at Kinas omfattende nationale magt er steget betydeligt, vil kravene til at realisere den militære konkurrencestrategi i det 21. århundrede og forbedre udstyrsniveauet helt sikkert være meget presserende. Derfor vil den udbredte brug af terbiumdysprosium-jerngigantmagnetostriktive materialer af militære og nationale forsvarsministerier være en historisk nødvendighed.
Kort sagt gør terbiums mange fremragende egenskaber det til et uundværligt element i mange funktionelle materialer og en uerstattelig plads inden for nogle anvendelsesområder. På grund af terbiums høje pris har man imidlertid studeret, hvordan man undgår og minimerer brugen af terbium for at reducere produktionsomkostningerne. For eksempel bør sjældne jordartsmetaller i magnetooptiske materialer også bruge billige dysprosiumjernkobolt eller gadoliniumterbiumkobolt så meget som muligt. Forsøg at reducere indholdet af terbium i det grønne fluorescerende pulver, der skal anvendes. Prisen er blevet en vigtig faktor, der begrænser den udbredte anvendelse af terbium. Men mange funktionelle materialer kan ikke undvære det, så vi er nødt til at holde os til princippet om "at bruge godt stål på bladet" og forsøge at spare på brugen af terbium så meget som muligt.
Opslagstidspunkt: 05. juli 2023