Terbiumappartient à la catégorie des terres rares lourdes, avec une faible abondance dans la croûte terrestre, seulement 1,1 ppm.Oxyde de terbiumreprésente moins de 0,01 % du total des terres rares. Même dans le minerai de terres rares lourdes à forte teneur en ions yttrium et à forte teneur en terbium, la teneur en terbium ne représente que 1,1 à 1,2 % du total.terres rares, indiquant qu'il appartient à la catégorie « noble » deterres rareséléments. Depuis la découverte du terbium en 1843, il y a plus de cent ans, sa rareté et sa valeur ont longtemps empêché son application pratique. Ce n'est qu'au cours des trente dernières années queterbiuma montré son talent unique.
À la découverte de l'histoire
Le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander a découvert le terbium en 1843. Il a découvert ses impuretés dansoxyde d'yttriumetY2O3. YttriumLe terbium doit son nom au village d'Itby, en Suède. Avant l'apparition de la technologie d'échange d'ions, le terbium n'était pas isolé à l'état pur.
Mossander a d'abord été diviséoxyde d'yttriumen trois parties, toutes nommées d'après des minerais :oxyde d'yttrium, oxyde d'erbium, etoxyde de terbium. Oxyde de terbiumétait à l'origine composé d'une partie rose, en raison de l'élément maintenant connu sous le nom deerbium. Oxyde d'erbium(y compris ce que nous appelons aujourd'hui le terbium) était à l'origine un élément incolore en solution. L'oxyde insoluble de cet élément est considéré comme brun.
Les ouvriers ultérieurs ont eu du mal à observer de minuscules «oxyde d'erbium« , mais la partie rose soluble ne peut être ignorée. Le débat sur l'existence deoxyde d'erbiuma réapparu à plusieurs reprises. 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 maintenant que les ouvriers qui utilisent du disulfure de sodium ou du sulfate de potassium pour éliminer le dioxyde de cériumoxyde d'yttriumtourner involontairementterbiumen précipités contenant du cérium. Actuellement connu sous le nom de «terbium', seulement environ 1% de l'originaloxyde d'yttriumest présent, mais cela suffit à transmettre une couleur jaune clair àoxyde d'yttrium. Donc,terbiumest un composant secondaire qui le contenait initialement, et il est contrôlé par ses voisins immédiats,gadoliniumetdysprosium.
Par la suite, chaque fois que d’autresterres rareséléments ont été séparés de ce mélange, quelle que soit la proportion de l'oxyde, le nom de terbium a été conservé jusqu'à ce que finalement, l'oxyde brun deterbiuma été 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
Disposition électronique :
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
L'agencement électronique deterbiumest [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 deterbium, le semi-rempliterbiumpermet une ionisation supplémentaire du quatrième électron en présence d'un oxydant très fort tel que le gaz fluor.
Métal
TerbiumC'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 aux premiers lanthanides, il est relativement stable à l'air. Le neuvième élément des lanthanides, le terbium, est un métal hautement chargé qui réagit avec l'eau pour former de l'hydrogène gazeux.
Dans la nature,terbiumn'a jamais été trouvé comme étant un élément libre, présent en petites quantités dans le sable de phosphore, de cérium, de thorium et dans le minerai de silicium, de béryllium et d'yttrium.TerbiumIl coexiste avec d'autres terres rares dans le sable monazite, avec une teneur en terbium généralement de 0,03 %. Parmi les autres sources, on trouve le phosphate d'yttrium et l'or des terres rares, tous deux des mélanges d'oxydes contenant jusqu'à 1 % de terbium.
Application
L'application deterbiumIl s’agit principalement de domaines de haute technologie, de projets de pointe à forte intensité technologique et de connaissances, ainsi que de projets présentant des retombées économiques importantes et des perspectives de développement intéressantes.
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 pour 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.terbiumest un composant indispensable dans 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
Terres raresterbiumpeuvent 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, et les complexes ternaires deterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, ont de bons effets antibactériens et bactéricides sur Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis et Escherichia coli, avec des propriétés antibactériennes à large spectre. 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 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. Si l'apparition de la poudre fluorescente rouge pour téléviseur couleur à base de terres rares a stimulé la demande enyttriumeteuropiumL'application et le développement du terbium ont été favorisés par la poudre fluorescente verte à trois couleurs primaires de terres rares 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 d'une longueur d'onde de 545 nm, et la quasi-totalité des poudres fluorescentes vertes à base de terres rares utilisentterbium, comme activateur.
La poudre fluorescente verte utilisée pour les tubes cathodiques (CRT) des téléviseurs couleur a toujours été principalement à base de sulfure de zinc, bon marché et efficace. Cependant, la poudre de terbium a toujours été utilisée comme poudre verte de projection pour les téléviseurs couleur, 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 les tubes cathodiques sont également développées. 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 lumineuse à haute densité de courant.
La poudre fluorescente traditionnelle aux rayons X est le tungstate de calcium. Dans les années 1970 et 1980, des poudres fluorescentes à base de terres rares pour écrans de sensibilisation ont été développées, notamment :terbiumoxyde de sulfure de lanthane activé, oxyde de bromure de lanthane activé au terbium (pour écrans verts) et oxyde de sulfure d'yttrium 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 %).
TerbiumIl est également utilisé comme activateur dans les LED blanches excitées par la lumière bleue pour un nouvel éclairage à semi-conducteurs. Il peut être utilisé pour produire des cristaux magnéto-optiques phosphorescents en terbium-aluminium, en utilisant des diodes électroluminescentes bleues comme sources lumineuses d'excitation. La fluorescence générée est mélangée à la lumière d'excitation pour produire une lumière blanche pure.
Les matériaux électroluminescents fabriqués à partir de terbium comprennent principalement de la poudre fluorescente verte de sulfure de zinc avecterbiumcomme activateur. Sous irradiation ultraviolette, les complexes organiques de terbium peuvent émettre une forte fluorescence verte et être utilisés comme matériaux électroluminescents en couches minces. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans l'étude deterres raresfilms minces électroluminescents complexes organiques, il existe encore un certain écart par rapport à la pratique, et la recherche sur les films minces électroluminescents complexes organiques de terres rares et les dispositifs est encore approfondie.
Les caractéristiques de fluorescence du terbium sont également utilisées comme sondes de fluorescence. L'interaction entre le complexe ofloxacine-terbium (Tb3+) et l'acide désoxyribonucléique (ADN) a été étudiée à l'aide de spectres de fluorescence et d'absorption, tels que la sonde de fluorescence de l'ofloxacine-terbium (Tb3+). Les résultats ont montré que la sonde ofloxacine-terbium (Tb3+) peut former un sillon se liant aux molécules d'ADN, et que l'acide désoxyribonucléique peut augmenter significativement la fluorescence du système ofloxacine-Tb3+. Cette modification permet de déterminer l'acide désoxyribonucléique.
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 angles de rotation Faraday élevés 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 couches minces d'alliage de métal de transition terbium amorphe ont été utilisées pour fabriquer des disques magnéto-optiques hautes performances. Parmi celles-ci, la couche mince d'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 continue de la révolution technologique mondiale, de nouveaux matériaux d'application à base de terres rares ont rapidement émergé. En 1984, l'Université d'État de l'Iowa, 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 étaient issus les principaux membres de la future société Edge Technology Corporation (ET REMA)) ont collaboré au développement d'un nouveau matériau intelligent à base de terres rares : le matériau magnétostrictif ferromagnétique à base de terbium-dysprosium. 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 à base de terbium-dysprosium-fer a donc 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, avec le renforcement significatif de la puissance nationale chinoise, la nécessité de mettre en œuvre une stratégie militaire compétitive pour le XXIe siècle et d'améliorer les niveaux d'équipement deviendra incontournable. Par conséquent, l'utilisation généralisée des 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 bref, les nombreuses excellentes propriétés deterbiumEn font un élément indispensable de nombreux matériaux fonctionnels et un élément irremplaçable dans certains domaines d'application. Cependant, en raison de son prix élevé, des recherches ont été menées pour éviter et minimiser son utilisation afin de réduire les coûts de production. Par exemple, les matériaux magnéto-optiques à base de terres rares devraient également utiliser des matériaux à faible coût.dysprosium de ferUtiliser autant que possible du cobalt ou du gadolinium-terbium-cobalt ; s'efforcer de réduire la teneur en terbium de la poudre fluorescente verte à utiliser. Le prix est devenu un facteur important limitant son utilisation généralisée.terbium. Mais de nombreux matériaux fonctionnels ne peuvent pas s'en passer, nous devons donc adhérer au principe « d'utiliser un bon acier sur la lame » et essayer d'économiser l'utilisation deterbiumautant que possible.
Date de publication : 25 octobre 2023