Terbiumappartient à la catégorie des lourdsterres rares, avec une faible abondance dans la croûte terrestre (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 forte teneur en ions yttrium, le plus riche en terbium, celui-ci ne représente que 1,1 à 1,2 % du total des terres rares, ce qui indique qu'il appartient à la catégorie « noble » des terres rares. Depuis sa découverte en 1843, il y a plus de 100 ans, 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 révélé son potentiel unique.
À la découverte de l'histoire
Le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander a découvert le terbium en 1843. Il a trouvé ses impuretés dansOxyde d'yttrium(III)etY2O3L'yttrium doit son nom au village d'Ytterby, en Suède. Avant l'apparition de la technologie d'échange 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) » (incluant ce que nous appelons aujourd'hui 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 ont eu du mal à observer le minuscule « oxyde d'erbium(III) » incolore, mais la partie rose soluble était incontournable. L'existence de l'oxyde d'erbium(III) a fait l'objet de nombreux débats. Dans le chaos, le nom d'origine a été inversé et l'échange de noms est resté bloqué, si bien que la partie rose a finalement été mentionnée comme une solution contenant de l'erbium (dans la solution, elle était rose). On pense aujourd'hui que les chercheurs qui utilisent du bisulfate de sodium ou du sulfate de potassium prennentOxyde de cérium (IV)à partir de l'oxyde d'yttrium(III) et transforment involontairement le terbium en un sédiment contenant du cérium. Seulement environ 1 % de l'oxyde d'yttrium(III) initial, désormais appelé « 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 terres rares furent séparées de ce mélange, quelle que soit la proportion d'oxyde, le nom de terbium fut conservé jusqu'à ce que l'oxyde brun de terbium soit finalement obtenu à l'état pur. Au XIXe siècle, les chercheurs n'utilisaient pas la technologie de fluorescence ultraviolette pour observer les nodules jaunes ou verts vifs (III), ce qui facilitait la reconnaissance du terbium dans les mélanges ou 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 importante pour être ionisée davantage. Cependant, dans le cas du terbium, le terbium semi-rempli permet au quatrième électron d'être ionisé davantage en présence d'oxydants très puissants comme le fluor gazeux.
Le terbium est une terre rare blanc argenté, ductile, résistante et souple, qui peut être coupée au couteau. Son point de fusion est de 1 360 °C, son point d'ébullition de 3 123 °C et sa masse volumique de 8 229 kg/m³. Comparé au lanthanide primitif, il est relativement stable à l'air. Neuvième élément des lanthanides, le terbium est un métal à forte électricité. Il réagit avec l'eau pour former de l'hydrogène.
Dans la nature, le terbium n'a jamais été trouvé sous forme d'élément libre ; on en trouve une petite quantité dans le sable de phosphocérium-thorium et la gadolinite. Le terbium coexiste avec d'autres terres rares dans le sable de monazite, avec une teneur généralement de 0,03 %. D'autres sources sont le xénotime et les minerais d'or noir rare, tous deux composés d'oxydes et contenant 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 terres rares mixtes. Par exemple, il est utilisé comme engrais composé de terres rares et comme 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 phosphores, à savoir le rouge, le vert et le bleu, qui permettent de synthétiser diverses couleurs. Le terbium est un composant indispensable de nombreuses poudres fluorescentes vertes de haute qualité.
(3) Utilisé comme matériau de stockage magnéto-optique. Des couches minces d'alliage de métal de transition terbium-métal amorphe ont été utilisées pour fabriquer des disques magnéto-optiques hautes performances.
(4) Fabrication de verre magnéto-optique. Le verre rotatoire de Faraday contenant du terbium est un matériau essentiel pour la fabrication de rotateurs, d'isolateurs et de circulateurs dans la technologie laser.
(5) Le développement et le développement de l'alliage ferromagnétostrictif de terbium dysprosium (TerFenol) ont ouvert de nouvelles applications pour le terbium.
Pour l'agriculture et l'élevage
Le terbium, une terre rare, peut améliorer la qualité des cultures et augmenter le taux de photosynthèse dans une certaine plage de concentrations. Les complexes de terbium présentent 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. Leur spectre antibactérien est large. L'étude de ces complexes ouvre une nouvelle voie de recherche pour les médicaments bactéricides modernes.
Utilisé dans le domaine de la luminescence
Les matériaux optoélectroniques modernes nécessitent l'utilisation de trois couleurs primaires de phosphores, le rouge, le vert et le bleu, qui permettent de synthétiser diverses couleurs. Le terbium est un composant indispensable de nombreuses poudres fluorescentes vertes de haute qualité. Si l'apparition de la poudre fluorescente rouge pour téléviseurs couleur à base de terres rares a stimulé la demande en yttrium et en europium, l'application et le développement du terbium ont été favorisés par la poudre fluorescente verte à trois couleurs primaires pour lampes. Au début des années 1980, Philips a inventé la première lampe fluorescente compacte à économie d'énergie au monde et l'a rapidement commercialisée à l'échelle mondiale. Les ions Tb3+ peuvent émettre une lumière verte à une longueur d'onde de 545 nm, et la quasi-totalité des phosphores verts à base de 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, une substance économique et efficace. Cependant, la poudre de terbium a toujours été utilisée comme phosphore vert pour les téléviseurs couleur de projection, notamment Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ et LaOBr ∶ Tb3+. Avec le développement de la télévision haute définition (TVHD) sur grand écran, des poudres fluorescentes vertes hautes performances pour 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 présente une excellente efficacité de luminescence à haute densité de courant.
La poudre fluorescente traditionnelle pour rayons X est le tungstate de calcium. Dans les années 1970 et 1980, des phosphores à base de terres rares ont été développés pour les écrans renforçateurs, tels que l'oxyde de lanthane et de soufre activé au terbium, l'oxyde de lanthane et de brome activé au terbium (pour les écrans verts) et l'oxyde d'yttrium(III) et de soufre activé au terbium. Comparée au tungstate de calcium, la poudre fluorescente à base de terres rares permet de réduire de 80 % la durée d'irradiation des patients aux rayons X, d'améliorer la résolution des films radiographiques, de prolonger la durée de vie des tubes à rayons X et de 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 permet d'améliorer considérablement la sensibilité de la conversion des rayons X en images optiques, d'améliorer la clarté des films radiographiques et de réduire considérablement la dose d'exposition aux rayons X pour le corps humain (de plus de 50 %).
Le terbium est également utilisé comme activateur dans les LED blanches excitées par la lumière bleue pour les nouveaux éclairages à semi-conducteurs. Il peut être utilisé pour produire des cristaux magnéto-optiques terbium-aluminium, utilisant des diodes électroluminescentes bleues comme sources de lumière d'excitation. 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, dont l'activateur est le terbium. Sous irradiation ultraviolette, les complexes organiques de terbium peuvent émettre une forte fluorescence verte et être utilisés comme matériaux électroluminescents en couches minces. Malgré des progrès significatifs dans l'étude des couches minces électroluminescentes à base de complexes organiques de terres rares, des lacunes subsistent quant à leur faisabilité pratique. La recherche sur les couches minces et les dispositifs électroluminescents à base de complexes organiques de terres rares est donc 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. Cette étude a montré que la sonde Ofloxacine Tb3+ peut former un sillon de liaison avec les molécules d'ADN, et que l'ADN peut considérablement améliorer la fluorescence du système Ofloxacine Tb3+. Cette modification permet de déterminer l'ADN.
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 les verres magnéto-optiques. Parmi eux, les cristaux magnéto-optiques (tels que le grenat d'yttrium-fer et le grenat de terbium-gallium) présentent l'avantage d'une fréquence de fonctionnement réglable et d'une grande stabilité thermique, mais ils sont coûteux et difficiles à fabriquer. De plus, de nombreux cristaux magnéto-optiques à angle de rotation de Faraday élevé présentent 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 transmittance élevée et est facile à transformer en blocs ou en fibres de grande taille. Actuellement, les verres magnéto-optiques à fort effet Faraday sont principalement des verres dopés aux ions de 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 haute capacité a augmenté. Des films d'alliage de métal de transition terbium amorphe ont été utilisés pour fabriquer des disques magnéto-optiques hautes performances. Parmi eux, le film mince en alliage TbFeCo offre les meilleures performances. Des matériaux magnéto-optiques à base de terbium ont été produits à grande échelle et les disques magnéto-optiques qui en sont issus sont utilisés comme composants de stockage informatique, avec une capacité de stockage multipliée par 10 à 15. Ils présentent les avantages d'une grande capacité et d'une vitesse d'accès rapide, et peuvent être essuyés et recouverts des dizaines de milliers de fois lorsqu'ils sont utilisés pour les disques optiques haute densité. Ce sont des matériaux importants dans les technologies de stockage électronique de l'information. Le matériau magnéto-optique le plus couramment utilisé dans les bandes visible et proche infrarouge est le monocristal de grenat de terbium-gallium (TGG), le meilleur matériau magnéto-optique pour la fabrication de rotateurs et d'isolateurs de Faraday.
Pour verre magnéto-optique
Le verre magnéto-optique Faraday présente une bonne transparence et une bonne isotropie dans le visible et l'infrarouge, et peut prendre diverses formes complexes. Il est facile à produire des produits de grande taille et peut être étiré en fibres optiques. Par conséquent, ses perspectives d'application sont vastes dans les dispositifs magnéto-optiques tels que les isolateurs magnéto-optiques, les modulateurs magnéto-optiques et les capteurs de courant à fibre optique. Grâce à leur moment magnétique élevé et à leur faible coefficient d'absorption dans le visible et l'infrarouge, les ions Tb3+ sont devenus des ions de terres rares couramment utilisés dans les verres magnéto-optiques.
Alliage ferromagnétostrictif de terbium dysprosium
À la fin du XXe siècle, avec l'intensification de la révolution scientifique et technologique mondiale, de nouveaux matériaux appliqués à base de terres rares émergent rapidement. En 1984, l'Université d'État de l'Iowa (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 (dont l'équipe principale de la future American Edge Technology Company (ET REMA) est issue) ont développé conjointement un nouveau matériau intelligent à base de terres rares : un matériau magnétostrictif géant en terbium-dysprosium-fer. Ce nouveau matériau intelligent présente d'excellentes caractéristiques de conversion rapide de 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. Dès sa création, le matériau magnétostrictif géant en terbium-dysprosium-fer a suscité un vif intérêt dans les pays industrialisés du monde entier. Edge Technologies aux États-Unis a commencé à produire des matériaux magnétostrictifs géants de fer à base de 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 de fer à base de terbium dysprosium.
L'histoire du développement de ce matériau aux États-Unis montre que son invention et ses premières applications monopolistiques sont directement liées à l'industrie militaire (notamment la marine). Bien que les ministères de l'Armée et de la Défense chinois approfondissent progressivement leur connaissance de ce matériau, la puissance nationale globale de la Chine, qui s'est considérablement accrue, nécessitera sans aucun doute une stratégie militaire compétitive au XXIe siècle et l'amélioration du niveau d'équipement. Par conséquent, l'utilisation généralisée de matériaux magnétostrictifs géants de fer à base de terbium-dysprosium par les ministères de l'Armée et de la Défense nationale constituera une nécessité historique.
En résumé, les excellentes propriétés du terbium en font un élément indispensable de nombreux matériaux fonctionnels et un atout majeur dans certains domaines d'application. Cependant, en raison de son prix élevé, des recherches ont été menées pour minimiser son utilisation afin de réduire les coûts de production. Par exemple, les matériaux magnéto-optiques à base de terres rares devraient utiliser autant que possible du dysprosium fer cobalt ou du gadolinium terbium cobalt, moins coûteux. Il est également conseillé de réduire la teneur en terbium de la poudre fluorescente verte utilisée. Son prix est devenu un facteur important limitant son utilisation généralisée. Cependant, de nombreux matériaux fonctionnels ne peuvent s'en passer ; il est donc essentiel d'utiliser un acier de qualité pour les lames et d'en réduire l'utilisation autant que possible.
Date de publication : 05/07/2023