Terbiumappartient à la catégorie des lourdsterres rares, avec une faible abondance dans la croûte terrestre à seulement 1,1 ppm. L'oxyde de terbium représente moins de 0,01 % du total des terres rares. Même dans le minerai de terres rares lourdes à haute teneur en ions yttrium avec la teneur la plus élevée en terbium, la teneur en terbium ne représente que 1,1 à 1,2 % du total des terres rares, ce qui indique qu'elle appartient à la catégorie « noble » des éléments des terres rares. Depuis plus de 100 ans depuis la découverte du terbium en 1843, sa rareté et sa valeur ont longtemps empêché son application pratique. Ce n'est qu'au cours des 30 dernières années que le terbium a montré son talent unique.
Découvrir l'histoire
Le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander a découvert le terbium en 1843. Il a trouvé ses impuretés dansOxyde d'yttrium(III)etY2O3. Yttrium doit son nom au village d'Ytterby en Suède. Avant l’émergence de la technologie des échanges d’ions, le terbium n’était pas isolé sous sa forme pure.
Mosant a d'abord divisé l'oxyde d'yttrium(III) en trois parties, toutes nommées d'après des minerais : l'oxyde d'yttrium(III),Oxyde d'erbium(III), et l'oxyde de terbium. L'oxyde de terbium était à l'origine composé d'une partie rose, due à l'élément aujourd'hui connu sous le nom d'erbium. « L’oxyde d’Erbium(III) » (y compris ce que nous appelons aujourd’hui le terbium) était à l’origine la partie essentiellement incolore de la solution. L'oxyde insoluble de cet élément est considéré comme brun.
Les chercheurs ultérieurs pouvaient à peine observer le minuscule « oxyde d’Erbium(III) » incolore, mais la partie rose soluble ne pouvait être ignorée. Des débats sur l’existence de l’oxyde d’Erbium(III) ont surgi à plusieurs reprises. Dans le chaos, le nom original a été inversé et l'échange de noms a été bloqué, de sorte que la partie rose a finalement été mentionnée comme une solution contenant de l'erbium (dans la solution, elle était rose). On croit maintenant que les travailleurs qui utilisent du bisulfate de sodium ou du sulfate de potassium prennentOxyde de cérium(IV)de l'oxyde d'yttrium(III) et transforme involontairement le terbium en un sédiment contenant du cérium. Seulement environ 1 % de l’oxyde d’yttrium(III) d’origine, maintenant connu sous le nom de « terbium », suffit à donner une couleur jaunâtre à l’oxyde d’yttrium(III). Le terbium est donc un composant secondaire qui le contenait initialement, et il est contrôlé par ses voisins immédiats, le gadolinium et le dysprosium.
Par la suite, chaque fois que d'autres éléments de terres rares étaient séparés de ce mélange, quelle que soit la proportion de l'oxyde, le nom de terbium était conservé jusqu'à ce que finalement l'oxyde brun de terbium soit obtenu sous forme pure. Les chercheurs du XIXe siècle n'ont pas utilisé la technologie de fluorescence ultraviolette pour observer des nodules jaunes ou verts vifs (III), ce qui facilite la reconnaissance du terbium dans des mélanges ou des solutions solides.
Configuration électronique
Configuration électronique :
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
La configuration électronique du terbium est [Xe] 6s24f9. Normalement, seuls trois électrons peuvent être retirés avant que la charge nucléaire ne devienne trop grande pour être davantage ionisée, mais dans le cas du terbium, le terbium semi-rempli permet au quatrième électron d'être davantage ionisé en présence d'oxydants très puissants tels que le fluor gazeux.
Le terbium est un métal de terre rare blanc argenté doté de ductilité, de ténacité et de douceur qui peut être coupé avec un couteau. Point de fusion 1360 ℃, point d'ébullition 3123 ℃, densité 8229 4kg/m3. Comparé au premier lanthanide, il est relativement stable dans l’air. En tant que neuvième élément du Lanthanide, le terbium est un métal à forte électricité. Il réagit avec l'eau pour former de l'hydrogène.
Dans la nature, le terbium ne s'est jamais révélé être un élément libre, dont une petite quantité existe dans le sable de phosphocérium thorium et la gadolinite. Le terbium coexiste avec d'autres éléments de terres rares dans le sable monazite, avec une teneur généralement en terbium de 0,03 %. D'autres sources sont le Xénotime et les minerais d'or noir rare, qui sont tous deux des mélanges d'oxydes et contiennent jusqu'à 1 % de terbium.
Application
L'application du terbium concerne principalement les domaines de haute technologie, qui sont des projets de pointe à forte intensité technologique et de connaissances, ainsi que des projets présentant des avantages économiques importants, avec des perspectives de développement attrayantes.
Les principaux domaines d'application comprennent :
(1) Utilisé sous forme de mélanges de terres rares. Par exemple, il est utilisé comme engrais composé de terres rares et additif alimentaire pour l’agriculture.
(2) Activateur de poudre verte dans trois poudres fluorescentes primaires. Les matériaux optoélectroniques modernes nécessitent l’utilisation de trois couleurs de base de luminophores, à savoir le rouge, le vert et le bleu, qui peuvent être utilisées pour synthétiser diverses couleurs. Et le terbium est un composant indispensable dans de nombreuses poudres fluorescentes vertes de haute qualité.
(3) Utilisé comme matériau de stockage magnéto-optique. Des films minces d'alliage de métal de transition de terbium et de métal amorphe ont été utilisés pour fabriquer des disques magnéto-optiques hautes performances.
(4) Fabrication de verre magnéto-optique. Le verre rotatif de Faraday contenant du terbium est un matériau clé pour la fabrication de rotateurs, d'isolateurs et de circulateurs dans la technologie laser.
(5) Le développement et le développement de l'alliage ferromagnétostrictif au terbium dysprosium (TerFenol) ont ouvert de nouvelles applications pour le terbium.
Pour l'agriculture et l'élevage
Le terbium des terres rares peut améliorer la qualité des cultures et augmenter le taux de photosynthèse dans une certaine plage de concentration. Les complexes de terbium ont une activité biologique élevée. Les complexes ternaires de terbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, ont de bons effets antibactériens et bactéricides sur Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis et Escherichia coli. Ils ont un large spectre antibactérien. L’étude de tels complexes ouvre une nouvelle direction de recherche pour les médicaments bactéricides modernes.
Utilisé dans le domaine de la luminescence
Les matériaux optoélectroniques modernes nécessitent l’utilisation de trois couleurs de base de luminophores, à savoir le rouge, le vert et le bleu, qui peuvent être utilisées pour synthétiser diverses couleurs. Et le terbium est un composant indispensable dans de nombreuses poudres fluorescentes vertes de haute qualité. Si la naissance de la poudre fluorescente rouge TV couleur terres rares a stimulé la demande d'yttrium et d'europium, alors l'application et le développement du terbium ont été favorisés par la poudre fluorescente verte à trois couleurs primaires terres rares pour lampes. Au début des années 1980, Philips a inventé la première lampe fluorescente compacte à économie d'énergie au monde et en a rapidement fait la promotion à l'échelle mondiale. Les ions Tb3+ peuvent émettre une lumière verte d’une longueur d’onde de 545 nm, et presque tous les phosphores verts des terres rares utilisent le terbium comme activateur.
Le phosphore vert pour tube cathodique (CRT) de télévision couleur a toujours été à base de sulfure de zinc, qui est bon marché et efficace, mais la poudre de terbium a toujours été utilisée comme phosphore vert pour la télévision couleur de projection, y compris Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ et LaOBr ∶ Tb3+. Avec le développement de la télévision haute définition sur grand écran (TVHD), des poudres fluorescentes vertes hautes performances pour les tubes cathodiques sont également en cours de développement. Par exemple, une poudre fluorescente verte hybride a été développée à l'étranger, composée de Y3 (Al, Ga) 5O12 : Tb3+, LaOCl : Tb3+ et Y2SiO5 : Tb3+, qui ont une excellente efficacité de luminescence à haute densité de courant.
La poudre fluorescente aux rayons X traditionnelle est le tungstate de calcium. Dans les années 1970 et 1980, des phosphores de terres rares pour écrans intensificateurs ont été développés, tels que l'oxyde de lanthane au soufre activé au terbium, l'oxyde de lanthane au brome activé au terbium (pour les écrans verts), l'oxyde de soufre activé au terbium et l'oxyde d'yttrium (III), etc. Par rapport au tungstate de calcium, La poudre fluorescente de terres rares peut réduire de 80 % le temps d'irradiation aux rayons X pour les patients, améliorer la résolution des films radiologiques, prolonger la durée de vie des tubes à rayons X et réduire la consommation d'énergie. Le terbium est également utilisé comme activateur de poudre fluorescente pour les écrans médicaux d'amélioration des rayons X, ce qui peut grandement améliorer la sensibilité de la conversion des rayons X en images optiques, améliorer la clarté des films radiologiques et réduire considérablement la dose d'exposition aux rayons X. rayons sur le corps humain (de plus de 50 %).
Le terbium est également utilisé comme activateur dans le phosphore blanc des LED excité par la lumière bleue pour le nouvel éclairage à semi-conducteurs. Il peut être utilisé pour produire des phosphores à cristaux magnéto-optiques au terbium-aluminium, en utilisant des diodes électroluminescentes bleues comme sources de lumière d'excitation, et la fluorescence générée est mélangée à la lumière d'excitation pour produire une lumière blanche pure.
Les matériaux électroluminescents à base de terbium comprennent principalement du phosphore vert de sulfure de zinc avec du terbium comme activateur. Sous irradiation ultraviolette, les complexes organiques de terbium peuvent émettre une forte fluorescence verte et peuvent être utilisés comme matériaux électroluminescents en couches minces. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans l'étude des films minces électroluminescents à complexes organiques de terres rares, il existe encore un certain écart par rapport à la praticité, et la recherche sur les films minces et les dispositifs électroluminescents à complexes organiques de terres rares est encore approfondie.
Les caractéristiques de fluorescence du terbium sont également utilisées comme sondes de fluorescence. Par exemple, la sonde de fluorescence Ofloxacine terbium (Tb3+) a été utilisée pour étudier l'interaction entre le complexe Ofloxacine terbium (Tb3+) et l'ADN (ADN) par spectre de fluorescence et spectre d'absorption, indiquant que la sonde Ofloxacine Tb3+ peut former un sillon se liant aux molécules d'ADN, et l'ADN peut améliorer considérablement la fluorescence du système Ofloxacin Tb3+. Sur la base de ce changement, l'ADN peut être déterminé.
Pour les matériaux magnéto-optiques
Les matériaux à effet Faraday, également appelés matériaux magnéto-optiques, sont largement utilisés dans les lasers et autres dispositifs optiques. Il existe deux types courants de matériaux magnéto-optiques : les cristaux magnéto-optiques et le verre magnéto-optique. Parmi eux, les cristaux magnéto-optiques (tels que le grenat de fer yttrium et le grenat de terbium-gallium) présentent les avantages d'une fréquence de fonctionnement réglable et d'une stabilité thermique élevée, mais ils sont coûteux et difficiles à fabriquer. De plus, de nombreux cristaux magnéto-optiques présentant un angle de rotation de Faraday élevé ont une absorption élevée dans la gamme des ondes courtes, ce qui limite leur utilisation. Comparé aux cristaux magnéto-optiques, le verre magnéto-optique présente l’avantage d’une transmission élevée et est facile à transformer en gros blocs ou fibres. À l'heure actuelle, les verres magnéto-optiques à effet Faraday élevé sont principalement des verres dopés aux ions terres rares.
Utilisé pour les matériaux de stockage magnéto-optique
Ces dernières années, avec le développement rapide du multimédia et de la bureautique, la demande de nouveaux disques magnétiques de grande capacité s'est accrue. Des films d'alliage de métal de transition à base de terbium et de métal amorphe ont été utilisés pour fabriquer des disques magnéto-optiques hautes performances. Parmi eux, le film mince en alliage TbFeCo présente les meilleures performances. Des matériaux magnéto-optiques à base de terbium ont été produits à grande échelle, et les disques magnéto-optiques fabriqués à partir de ceux-ci sont utilisés comme composants de stockage informatique, avec une capacité de stockage augmentée de 10 à 15 fois. Ils présentent les avantages d'une grande capacité et d'une vitesse d'accès rapide, et peuvent être essuyés et enduits des dizaines de milliers de fois lorsqu'ils sont utilisés pour des disques optiques haute densité. Ce sont des matériaux importants dans la technologie de stockage électronique de l’information. Le matériau magnéto-optique le plus couramment utilisé dans les bandes du visible et du proche infrarouge est le monocristal de grenat de terbium et de gallium (TGG), qui est le meilleur matériau magnéto-optique pour fabriquer des rotateurs et des isolateurs de Faraday.
Pour verre magnéto-optique
Le verre magnéto-optique de Faraday présente une bonne transparence et une bonne isotropie dans les régions visible et infrarouge et peut former diverses formes complexes. Il est facile de produire des produits de grande taille et peut être transformé en fibres optiques. Par conséquent, il présente de larges perspectives d’application dans les dispositifs magnéto-optiques tels que les isolateurs magnéto-optiques, les modulateurs magnéto-optiques et les capteurs de courant à fibre optique. En raison de son grand moment magnétique et de son faible coefficient d’absorption dans la gamme visible et infrarouge, les ions Tb3+ sont devenus des ions de terres rares couramment utilisés dans les verres magnéto-optiques.
Alliage ferromagnétostrictif Terbium dysprosium
À la fin du 20e siècle, avec l’approfondissement de la révolution scientifique et technologique mondiale, de nouveaux matériaux appliqués aux terres rares apparaissent rapidement. En 1984, l'Université d'État de l'Iowa aux États-Unis, le laboratoire Ames du Département de l'énergie des États-Unis et le Centre de recherche sur les armes de surface de la marine américaine (le personnel principal de l'American Edge Technology Company (ET REMA), créée plus tard, venait de le centre) a développé conjointement un nouveau matériau intelligent de terres rares, à savoir un matériau magnétostrictif géant de fer terbium dysprosium. Ce nouveau matériau Smart présente les excellentes caractéristiques de convertir rapidement l’énergie électrique en énergie mécanique. Les transducteurs sous-marins et électroacoustiques fabriqués à partir de ce matériau magnétostrictif géant ont été configurés avec succès dans des équipements navals, des haut-parleurs de détection de puits de pétrole, des systèmes de contrôle du bruit et des vibrations, ainsi que des systèmes d'exploration océanique et de communication souterraine. Par conséquent, dès la naissance du matériau magnétostrictif géant de fer terbium dysprosium, il a reçu une large attention de la part des pays industrialisés du monde entier. Edge Technologies aux États-Unis a commencé à produire des matériaux magnétostrictifs géants de fer au terbium dysprosium en 1989 et les a nommés Terfenol D. Par la suite, la Suède, le Japon, la Russie, le Royaume-Uni et l'Australie ont également développé des matériaux magnétostrictifs géants au terbium dysprosium et au fer.
D’après l’histoire du développement de ce matériau aux États-Unis, tant l’invention du matériau que ses premières applications monopolistiques sont directement liées à l’industrie militaire (comme la marine). Bien que les départements militaires et de défense chinois renforcent progressivement leur compréhension de ce matériau. Cependant, après que la puissance nationale globale de la Chine aura considérablement augmenté, les exigences nécessaires à la réalisation de la stratégie militaire compétitive du 21e siècle et à l'amélioration du niveau d'équipement deviendront certainement très urgentes. Par conséquent, l’utilisation généralisée de matériaux magnétostrictifs géants de fer au terbium dysprosium par les ministères militaires et de la défense nationale sera une nécessité historique.
En bref, les nombreuses excellentes propriétés du terbium en font un membre indispensable de nombreux matériaux fonctionnels et une position irremplaçable dans certains domaines d'application. Cependant, en raison du prix élevé du terbium, des chercheurs ont étudié comment éviter et minimiser son utilisation afin de réduire les coûts de production. Par exemple, les matériaux magnéto-optiques de terres rares devraient également utiliser autant que possible du dysprosium fer cobalt ou du gadolinium terbium cobalt ; Essayez de réduire la teneur en terbium de la poudre fluorescente verte qui doit être utilisée. Le prix est devenu un facteur important limitant l’utilisation généralisée du terbium. Mais de nombreux matériaux fonctionnels ne peuvent s'en passer, nous devons donc adhérer au principe « d'utiliser un bon acier sur la lame » et essayer d'économiser autant que possible l'utilisation du terbium.
Heure de publication : 05 juillet 2023