Редкоземельные элементы: Незаменимые катализаторы современной промышленности
Если нефть - жизненная сила промышленности, то редкие земли - ее витамины. Редкие земли - ценный стратегический ресурс, используемый в передовой науке, технике и военном деле, и считается "матерью новых материалов".
Однако "редкие земли - это не земли". Редкие земли - это аббревиатура, обозначающая группу металлов. Редкоземельные элементы (РЗЭ) были открыты с конца XVIII века. Ученые открывают новые области применения редкоземов почти каждые три-пять лет, а каждое шестое изобретение основано на редкоземах.
Редкоземельные металлы - ценный стратегический ресурс, известный как "промышленный MSG" и "мать новых материалов". Функциональные материалы, такие как редкоземельные постоянные магниты, люминесцентные материалы, материалы для хранения водорода и катализаторы, необходимы для высокотехнологичных отраслей промышленности, производства современного оборудования, новой энергетики и развивающихся отраслей.
По данным Геологической службы США за 2015 год, мировые запасы редкоземельных металлов составляют около 130 миллионов тонн (измеряются в оксидах редкоземельных металлов (REO)). Из них 55 млн тонн принадлежит Китаю, 22 млн тонн - Бразилии, 13 млн тонн - США, 2,1 млн тонн - Австралии, 3,1 млн тонн - Индии, 30 000 тонн - Малайзии и 41 млн тонн - другим странам.
Список применений 17 редкоземельных элементов
- Лантан является основным компонентом сплавов и сельскохозяйственных пленок.
- Церий является ведущим элементом в производстве автомобильного стекла.
- Празеодим - элемент, который в изобилии используется в керамических пигментах.
- Неодим находит широкое применение в производстве аэрокосмических материалов.
- Прометий - источник вспомогательной энергии для спутников.
- Самарий - это элемент, который используется в ядерных реакторах.
- Европий является компонентом для производства линз и жидкокристаллических экранов.
- Гадолиний выступает в качестве контрастного вещества в медицинских магнитно-резонансных томографах.
- Тербий используется в регуляторах крыльев самолетов.
- Эрбий - один из компонентов, используемых в военных лазерных дальномерах.
- Диспрозий - это элемент, который является источником света для пленки и печати.
- Гольмий является компонентом оптических коммуникационных устройств.
- Тулий позволяет проводить клиническую диагностику и лечение опухолей.
- Иттербий является добавкой в компьютерные запоминающие устройства.
- Лютеций используется в технологии энергетических батарей.
- Иттрий используется в электропроводке и несущих элементах самолетов.
- Скандий часто используется в производстве сплавов.
Лантан (La)
Элемент "лантан" был назван в 1839 году, когда швед по имени Мозандер обнаружил, что церий содержит другие элементы. Он позаимствовал греческое слово, означающее "скрытый", и назвал этот элемент "лантан".
Лантан имеет широкий спектр применений, таких как пьезоэлектрические материалы, термоэлектрические материалы, магниторезистивные материалы, люминесцентные материалы, материалы для хранения водорода, оптические стекла, лазерные материалы, различные сплавы и т.д. Лантан также используется для приготовления катализаторов для многих органических химических продуктов. Лантан также используется в фотоконверсионных сельскохозяйственных пленках. Ученые назвали лантан "суперкальцием" за его воздействие на сельскохозяйственные культуры.
Церий (Ce)
"Церий" был открыт и назван немцем Клаусом и шведами Ушперцигом и Хиршнером в 1803 году. Название было дано в память об астероиде Церера, открытом в 1801 году.
(1) В качестве добавки для стекол церий способен поглощать ультрафиолетовые и инфракрасные лучи и в настоящее время широко используется в автомобильных стеклах. Он защищает от ультрафиолетовых лучей и снижает температуру внутри автомобиля, тем самым экономя электроэнергию для кондиционера. С 1997 года во все японские автомобильные стекла добавляется оксид церия. В 1996 году для изготовления автомобильных стекол было использовано не менее 2 000 тонн оксида церия, а в США - около 1 000 тонн.
(2) В настоящее время церий используется в автомобильных катализаторах очистки выхлопных газов, которые могут эффективно предотвращать выброс в атмосферу большого количества автомобильных выхлопов. Потребление Соединенных Штатов в этой области составляет одну треть от общего потребления редкоземельных металлов.
(3) Сульфид церия безопасен для окружающей среды и человека и может заменить такие металлы, как свинец и кадмий, в пигментах. Они не только окрашивают пластмассы, но и хорошо подходят для покрытий, красок и бумажной промышленности. В настоящее время лидером на рынке является французская компания Rhone-Poulenc.
(4) Ce: Лазерная система LiSAF - это твердотельный лазер, разработанный в США. Он может обнаруживать биологическое оружие, контролируя концентрацию триптофана, а также использоваться в медицине. Церий имеет широкий спектр применения и содержится почти во всех редкоземельных материалах, таких как полировочный порошок, материалы для хранения водорода, термоэлектрические материалы, церий-вольфрамовые электроды, керамические конденсаторы, пьезоэлектрическая керамика, абразивы из карбида кремния с церием, сырье для топливных элементов, катализаторы бензина, некоторые материалы для постоянных магнитов, различные легированные стали и цветные металлы.
Празеодим (Pr)
Около 160 лет назад швед Мозандер открыл новый элемент, отличающийся от лантана, но это был не отдельный элемент. Мозандер обнаружил, что свойства этого элемента очень похожи на свойства лантана, поэтому он назвал его "празеодим-неодим".
В переводе с греческого "празеодим-неодим" означает "близнецы". Примерно через 40 лет, в 1885 году, когда был изобретен абажур для газовой лампы, австриец Вельсбах успешно выделил из "празеодима-неодима" два элемента, один из которых назвал "неодимом", а другой - "празеодимом". Эти "близнецы" были разделены, и празеодиму открылся широкий мир для проявления своих талантов.
Празеодим, редкоземельный элемент, является основным компонентом стекла, керамики и магнитных материалов.
(1) Он используется для изготовления постоянных магнитов. Использование дешевого празеодим-неодимового металла вместо чистого неодима для производства материалов постоянных магнитов позволило значительно улучшить их антиоксидантные свойства и механические характеристики, а также перерабатывать в магниты различной формы. Он широко используется в различных электронных устройствах и двигателях.
(2) Каталитический крекинг нефти - одно из направлений использования. Катализатор для крекинга нефти, изготовленный путем добавления празеодима и богатых неодимом веществ в молекулярное сито цеолита Y-типа, может сделать катализатор лучше с точки зрения активности, селективности и стабильности и привести катализатор к более высоким каталитическим характеристикам.
(3) Празеодим также является хорошим выбором для абразивной полировки. Кроме того, празеодим находит все большее применение в области оптических волокон. С рождением празеодима появился и неодим. Появление неодима активизировало область редкоземельных металлов, сыграло важную роль в области редкоземельных металлов и повлияло на рынок редкоземельных металлов.
Неодим (Nd)
Неодим уже много лет остается актуальной темой на рынке благодаря своему уникальному положению в области редкоземельных металлов. Крупнейшим потребителем металлического неодима является материал неодимовых постоянных магнитов. Появление постоянных магнитов NdFeB вдохнуло новую жизнь в редкоземельный сектор высоких технологий, а также принесло новую энергию. Сегодня, известные как "король постоянных магнитов", магниты NdFeB обладают высокой плотностью магнитной энергии.
Прометий (Pm)
В 1947 году Маринский (J.A.Marinsky), Гленденин (L.E.Glendenin) и Кориелл (C.E.Coryell) успешно выделили элемент 61 из отработанного уранового топлива атомного реактора и назвали его прометием в честь греческого бога Прометея. Прометий - это искусственный радиоактивный элемент, производимый ядерными реакторами.
(1) Его можно использовать в качестве источника тепла. Он обеспечивает вспомогательную энергию для вакуумных детекторов и искусственных спутников.
(2) Pm147 испускает низкоэнергетические бета-лучи и производит прометиевые батареи. Он используется в качестве источника питания для приборов наведения ракет и часов. Этот тип батарей малогабаритен и может использоваться непрерывно в течение нескольких лет. Прометий также используется в портативных рентгеновских приборах, для приготовления люминофоров, измерения толщины и навигационных огней.
Самарий (Sm)
В 1879 году Буабодран открыл новый редкоземельный элемент из "празеодима-неодима", полученного из иттрий-колумбита, и назвал его самарием в честь руды.
Самарий имеет светло-желтый цвет и является сырьем для производства самарий-кобальтовых постоянных магнитов - самых первых редкоземельных магнитов, которые стали использоваться в промышленности. Эти постоянные магниты бывают двух типов: серии SmCo5 и серии Sm2Co17. Серия SmCo5 была изобретена в начале 1970-х годов, а серия Sm2Co17 - позже. В настоящее время преобладает спрос на последний тип. Чистота оксида самария, используемого в самарий-кобальтовых магнитах, не обязательно должна быть очень высокой; по соображениям стоимости в основном используются продукты с чистотой около 95%. Оксид самария используется в керамических конденсаторах и катализаторах. Кроме того, самарий обладает ядерными свойствами и может использоваться в качестве конструкционного, экранирующего и управляющего материала в ядерных реакторах, позволяя безопасно использовать огромную энергию, генерируемую при делении ядер.
Европий (Eu)
В 1901 году Эжен-Антуан Демаркай обнаружил новый элемент, который произошел от самария, и назвал его европием. Это название, вероятно, произошло от термина "Европа". Оксид европия является основным компонентом люминофоров. Eu3+ выступает в качестве активатора красных люминофоров, а Eu2+ - синих. Eu3+ используется в качестве активатора для красных люминофоров, а Eu2+ - для синих. В настоящее время Y2O2S: Eu3+ является лучшим люминофором с точки зрения световой эффективности, стабильности покрытия и затрат на переработку. В сочетании с усовершенствованием технологии, позволяющей повысить светоотдачу и контрастность, он находит все более широкое применение. В последние годы оксид европия также используется в качестве люминофора со стимулированной эмиссией в новых рентгеновских медицинских диагностических системах. Оксид европия также используется в производстве цветных линз и оптических фильтров, в устройствах хранения пузырьков, а также в качестве управляющих, экранирующих и конструкционных материалов в ядерных реакторах.
Гадолиний (Gd). В 1880 году Г. де Мариньяк из Швейцарии разделил "самарий" на два элемента, один из которых был подтвержден как самарий Соритом, а другой - исследованиями Буабодрэ. В 1886 году Мариньяк назвал этот новый элемент гадолинием в честь первооткрывателя иттрия, голландского химика Гадолина, пионера в области изучения редкоземельных металлов. Гадолиний будет играть важную роль в современных технологических инновациях. Его основными областями применения являются:
(1) Его водорастворимый парамагнитный комплекс может улучшить сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР) человеческого тела в медицине.
(2) Его оксид серы может быть использован в качестве матричной сетки для осциллографов с особой яркостью и рентгенофлуоресцентных экранов.
(3) Гадолиний в галлиевом гранате с гадолинием - идеальная подложка для пузырьковой памяти.
(4) Он может быть использован в качестве твердого магнитного холодильного агента, когда нет ограничения по циклу Камота.
(5) Используется в качестве ингибитора для контроля уровня цепной реакции на атомных электростанциях для обеспечения безопасности ядерных реакций.
(6) Используется в качестве добавки в магниты из кобальта самария для обеспечения того, чтобы их характеристики не менялись при изменении температуры.
Гадолиний (Gd)
В 1880 году Г. де Мариньяк из Швейцарии разделил "самарий" на два элемента, один из которых был подтвержден как самарий Соритом, а другой - исследованиями Буабодрэ. В 1886 году Мариньяк назвал этот новый элемент гадолинием в честь первооткрывателя иттрия, голландского химика Гадолина, пионера в области изучения редкоземельных металлов. Гадолиний будет играть важную роль в современных технологических инновациях.
Основные области его применения:
(1) Его водорастворимый парамагнитный комплекс может улучшить сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР) человеческого тела в медицине.
(2) Его оксид серы может быть использован в качестве матричной сетки для осциллографов с особой яркостью и рентгенофлуоресцентных экранов.
(3) Гадолиний в галлиевом гранате с гадолинием - идеальная подложка для пузырьковой памяти.
(4) Он может быть использован в качестве твердого магнитного холодильного агента, когда нет ограничения по циклу Камота.
(5) Используется в качестве ингибитора для контроля уровня цепной реакции на атомных электростанциях для обеспечения безопасности ядерных реакций.
(6) Используется в качестве добавки в магниты из кобальта самария для обеспечения того, чтобы их характеристики не менялись при изменении температуры.
Тербий (Tb)
Карл Г. Мосандер из Швеции обнаружил тербий в 1843 году, и это произошло благодаря его исследованиям иттриевой земли. Основная область применения тербия - высокотехнологичная промышленность. Это технологичный и наукоемкий проект, находящийся на пороге технологических инноваций.
Основными областями применения являются:
(1) Фосфор, используемый в качестве активатора зеленого порошка в трехцветных люминофорах, фосфатная матрица, активированная тербием, силикатная матрица, активированная тербием, и матрица алюмината церия-магния, активированная тербием, которые все излучают зеленый свет в возбужденном состоянии.
(2) За последние несколько лет магнитооптические материалы на основе тербия достигли стадии крупномасштабного производства. Магнитооптические диски на основе аморфных тонких пленок Tb-Fe сегодня используются в качестве носителей информации в компьютерах, а их емкость увеличивается в 10-15 раз.
(3) Магнитооптическое стекло. Стекло для ротаторов Фарадея, содержащее тербий, является ключевым материалом для производства ротаторов, изоляторов и циркуляторов, а также широко используется в лазерных технологиях. В частности, разработка магнитострикционного сплава тербий-диспрозий-железо (TerFenol) открыла новые возможности применения тербия. Терфенол, открытый в 1970-х годах, состоит наполовину из тербия и диспрозия, иногда с добавлением гольмия, а остальное - железо. Впервые разработанный в лаборатории Эймса (штат Айова, США), терфенол при воздействии магнитного поля изменяет размеры сильнее, чем обычные магнитные материалы. Это изменение обеспечивает точное механическое движение. Изначально терфенол использовался в основном в гидролокаторах, но сейчас он находит широкое применение в различных областях техники, таких как системы впрыска топлива, управление жидкостными клапанами, микропозиционирование, а также в механических приводах, механизмах и регуляторах крыльев самолетов и космических телескопов.
Диспрозий (Dy)
В 1886 году француз Буабоде успешно разделил гольмий на два элемента. Один из них до сих пор называется гольмием, а другой - диспрозием, поскольку его "трудно получить" из гольмия. В настоящее время диспрозий играет все более важную роль во многих областях высоких технологий.
Основными областями применения диспрозия являются:
(1) В качестве добавки для постоянных магнитов NdFeB. Добавление от 2% до 3% диспрозия в такие магниты может увеличить их коэрцитивную силу. В прошлом спрос на диспрозий был невелик, но с ростом спроса на магниты NdFeB он стал необходимым добавочным элементом. Сорт должен быть от 95% до 99,9%, и спрос на него также быстро растет.
(2) Диспрозий используется в качестве активатора люминофора. Трехвалентный диспрозий является перспективным активирующим ионом для треххроматических люминесцентных материалов с одним центром люминесценции. В основном он состоит из двух эмиссионных полос, одна из которых предназначена для излучения желтого света, а другая - для излучения синего света. Люминесцентные материалы, легированные диспрозием, могут быть использованы в качестве трихроматических люминофоров.
(3) Диспрозий является важным металлическим сырьем для получения гигантского магнитострикционного сплава тербий-диспрозий-железо (терфенол), который может обеспечить точное движение некоторых механических систем.
(4) Металл диспрозий может быть использован в качестве магнитооптического материала для хранения данных с высокой скоростью записи и чувствительностью считывания.
(5) Он используется для приготовления диспрозиевых ламп. Рабочим веществом, используемым в диспрозиевых лампах, является йодид диспрозия. Преимуществами этой лампы являются высокая яркость, хороший цвет, высокая цветовая температура, малые размеры и стабильная дуга. Она используется в качестве источника освещения в кино, полиграфии и т.д.
(6) Поскольку диспрозий обладает характеристикой большого сечения захвата нейтронов, он используется в атомной энергетике для измерения энергетического спектра нейтронов или в качестве поглотителя нейтронов.
Гольмий (Ho)
Во второй половине XIX века открытие спектрального анализа и публикация периодической таблицы, а также прогресс в технологии электрохимического разделения редкоземельных элементов способствовали открытию новых редкоземельных элементов. В 1879 году шведский химик Сванте Клифф открыл элемент гольмий и назвал его гольмием в честь столицы Швеции Стокгольма.
Область применения гольмия все еще нуждается в дальнейшем развитии, а используемое количество не очень велико. Недавно Научно-исследовательский институт редких земель Baotou Steel использовал технологию высокотемпературной и высоковакуумной дистилляционной очистки для получения высокочистого металлического гольмия с очень низким содержанием примесей нередкоземельных металлов, Ho/ΣRE>99,9%.
В настоящее время гольмий используется в основном в следующих областях:
(1) Он использовался в качестве добавки для металлогалогенных ламп. Металлогалогенные лампы относятся к газоразрядным лампам, созданным на основе ртутных ламп высокого давления. Их особенность заключается в том, что колба наполнена различными редкоземельными галогенидами. В настоящее время в основном используются редкоземельные йодиды, которые при газовом разряде излучают различные цвета спектральных линий. Источником света в гольмиевых лампах является йодистый гольмий, который позволяет создать более высокую концентрацию атомов металла в зоне дуги, что значительно повышает эффективность излучения.
(2) Гольмий - элемент, который может использоваться в качестве добавки к иттриевому железу или иттриево-алюминиевому гранату.
(3) Легированный гольмием иттриево-алюминиевый гранат (YAG) - это материал, который может излучать лазерный свет с длиной волны 2 мкм. Ткани человека имеют очень высокую эффективность поглощения лазерного излучения на длине волны 2 мкм, что почти на три порядка выше, чем у HD: YAG. Предположим, мы используем Ho: YAG-лазеры для медицинской хирургии. Луч без гольмия, генерируемый гольмиевыми кристаллами, может избавиться от жира, не выделяя слишком много тепла, что позволяет минимизировать термическое повреждение здоровых тканей.
(4) Гольмий в очень малых количествах может быть дополнительно включен в магнитострикционный сплав Terfenol-D, чтобы снизить необходимое внешнее поле, соответствующее намагниченности насыщения сплава.
(5) Оптические волокна, легированные гольмием, подходят для производства различных оптоэлектронных компонентов, таких как оптоволоконные лазеры, оптоволоконные усилители, оптоволоконные датчики и устройства оптической связи, которые будут играть более важную роль в современных быстро развивающихся оптоволоконных коммуникациях.
Эрбий (Er)
В 1843 году шведский ученый Мозандер открыл элемент эрбий. Оптические свойства эрбия очень выдающиеся и всегда вызывали беспокойство у людей:
(1) Излучение света Er3+ при 1550 нм имеет особое значение, поскольку эта длина волны находится точно на уровне наименьших потерь оптического волокна в волоконно-оптической связи. После возбуждения светом с длинами волн 980 нм и 1480 нм ионы эрбия (Er3+) переходят из основного состояния 4I15/2 в высокоэнергетическое состояние 4I13/2. Когда Er3+ в высокоэнергетическом состоянии переходит обратно в основное состояние, он излучает свет с длиной волны 1550 нм. Кварцевое оптическое волокно может пропускать свет различных длин волн, но скорость затухания света для разных длин волн отличается. Свет в диапазоне 1550 нм имеет самую низкую скорость затухания света (0,15 дБ/км) при передаче в кварцевом оптическом волокне, что является почти нижним пределом скорости затухания.
(2) Кроме того, лазерные кристаллы, легированные эрбием, и их выходные лазеры с длиной волны 1730 и 1550 нм безопасны для глаз человека, имеют хорошие показатели пропускания атмосферы, способны проникать сквозь дым на поле боя, обладают хорошей конфиденциальностью, нелегко обнаруживаются противником и имеют высокий контраст при освещении военных целей. Они были сделаны в портативных лазерных дальномерах, безопасных для глаз человека, для военного использования.
(3) Er3+ может быть добавлен в стекло для получения редкоземельных стеклянных материалов, которые в настоящее время являются твердыми лазерными материалами с самой большой энергией выходного импульса и самой высокой выходной мощностью.
(4) Er3+ также может быть использован в качестве активного иона для редкоземельных апконверсионных лазерных материалов.
(5) Эрбий также может использоваться для обесцвечивания и окрашивания линз для очков, стекла и кристаллизованного стекла.
Тулий (Tm)
Тулий был открыт Клайвом из Швеции в 1879 году и назван в честь старого названия Скандинавии - Туле.
Основные области применения тулия следующие: (1) Тулий используется в качестве источника излучения для портативных медицинских рентгеновских аппаратов. После облучения в ядерном реакторе из тулия образуется изотоп, способный испускать рентгеновские лучи. Его можно использовать для изготовления портативных облучателей крови. Такой облучатель под действием нейтронных пучков высокого давления превращает тулий-169 в тулий-170, испуская рентгеновские лучи, которые облучают кровь и уменьшают количество белых кровяных телец. Эти белые кровяные тельца вызывают отторжение при пересадке органов, тем самым снижая раннее отторжение органов.
(2) Тулий можно использовать в клинических целях для диагностики и лечения новообразований, поскольку он обладает более высоким кроветворным сродством к опухолевой ткани. Тяжелые редкоземы обладают большим сродством, чем легкие редкоземы, и тулий возглавляет список самых высоких сродств.
(3) Тулий используется в качестве активатора, LaOBr: Br (синий) в люминофоре, используемом в усиливающих рентгеновских экранах, для повышения оптической чувствительности, тем самым снижая воздействие и вред рентгеновского излучения на человека. По сравнению с предыдущими усиливающими экранами на основе тунгстата кальция, он позволяет снизить дозу рентгеновского излучения на 50%, что имеет важное практическое значение для применения в медицине.
(4) Тулий также может использоваться в качестве добавки в новых источниках освещения, таких как металлогалогенные лампы.
(5) Tm3+ может быть добавлен в стекло для получения редкоземельных стеклянных лазерных материалов, которые в настоящее время являются твердыми лазерными материалами с самым большим объемом выходного импульса и самой высокой выходной мощностью. Tm3+ также может быть активирующим ионом для редкоземельных лазерных материалов с повышающей конверсией.
Иттербий (Yb)
Жан Шарль и Г. де Мариньяк в 1878 году обнаружили новый редкоземельный элемент эрбий, который позже был назван иттербием в честь Иттерби.
Основными областями применения иттербия являются:
(1) в качестве материала покрытия теплозащитного экрана. Иттербий может быть очень эффективным в улучшении коррозионной стойкости гальванического слоя цинка, а покрытие с добавлением иттербия имеет более мелкое зерно, более равномерное и компактное, чем покрытие без этого элемента.
(2) в качестве магнитострикционного материала. Этот материал обладает свойством супермагнитострикции, то есть расширения в магнитном поле. Сплав в основном состоит из сплава иттербия/феррита и сплава диспрозия/феррита, а для получения супермагнитострикции добавляется определенная доля марганца.
(3) Иттербиевые элементы используются для измерения давления. Эксперименты показали, что иттербиевые элементы обладают высокой чувствительностью в калиброванном диапазоне давления, и в то же время открыли новый путь для применения иттербия в измерении давления.
(4) Пломбы на основе смолы для молярных полостей, заменяющие ранее широко использовавшийся серебряно-ртутный сплав.
(5) Японские исследователи завершили подготовку легированных иттербием гадолиний-галлиевых гранатов для встроенных схем волноводных лазеров, что имеет большое значение для дальнейшего развития лазерных технологий. Кроме того, иттербий используется в качестве активатора люминофора, радиокерамики, добавки для элементов памяти компьютера, флюса для стекловолокна и добавки для оптического стекла.
Лютеций (Lu)
1907 Вельсбах и Урбен независимо друг от друга исследовали и открыли новый элемент иттербий, используя разные методы разделения. Вельсбах назвал этот элемент Cp (Cassiopeium), а Урбен - Lu (Lutetium), основываясь на старом названии Парижа - Лютеция. Позже было обнаружено, что Cp и Lu - это один и тот же элемент, поэтому их стали называть лютецием.
(1) Изготовление некоторых специальных сплавов. Например, нейтронно-активационный анализ можно проводить с помощью сплава лютеция с алюминием.
(2) Стабильные нуклиды лютеция катализируют реакции крекинга, алкилирования, гидрирования и полимеризации нефти.
(3) Добавление элементов в иттрий-железный или алюминиевый гранат для улучшения определенных свойств.
(4) Сырье для хранения магнитных пузырьков.
(5) Композитный функциональный кристалл, легированный лютецием тетраборат алюминия (иттрий-неодим), относится к технической области выращивания кристаллов с охлаждением в солевом растворе. Эксперименты показали, что кристаллы NYAB, легированные лютецием, превосходят кристаллы NYAB по оптической однородности и производительности лазера.
(6) Исследования соответствующих зарубежных ведомств показали, что лютеций может найти применение в электрохромных дисплеях и низкоразмерных молекулярных полупроводниках.
Кроме того, лютеций используется в технологии энергетических батарей и в качестве активатора для люминофоров.
Иттрий (Y)
В 1788 году Карл Аррениус, шведский военный, химик-любитель, минералог и коллекционер руд, обнаружил в деревне Иттерби за пределами Стокгольмской бухты черный минерал, похожий на асфальт и уголь. Он назвал его иттербитом в честь местного названия. В 1794 году финский химик Иоганн Гадолин проанализировал образец иттербия. Он обнаружил, что кроме оксидов бериллия, кремния и железа, в нем содержатся 38% оксидов неизвестного элемента, названного "новой землей". В 1797 году шведский химик Андерс Густав Экеберг подтвердил наличие этой "новой земли" и назвал ее иттрий (оксид иттрия).
(1) Добавка для стали и цветных сплавов. Сплавы FeCr обычно содержат 0,5-4% иттрия, который может улучшить стойкость к окислению и пластичность этих нержавеющих сталей. Добавление соответствующего количества иттрия в сплав MB26 значительно улучшает комплексные характеристики сплава, и он может заменить некоторые среднепрочные алюминиевые сплавы для использования в качестве несущих элементов самолетов. Небольшое количество богатых иттрием редких земель, добавленных в сплав Al-Zr, повышает его электропроводность. Большинство отечественных заводов по производству проволоки используют этот сплав. Добавление иттрия в медный сплав приводит к улучшению как проводимости, так и механической прочности.
(2) Компоненты двигателя могут быть разработаны с использованием керамических материалов из нитрида кремния, содержащих 6% иттрия и 2% алюминия.
(3) Используйте 400-ваттный лазерный луч из неодимового иттриево-алюминиевого граната для механической обработки, такой как сверление, резка и сварка крупных деталей.
(4) Флуоресцентные экраны для электронных микроскопов, состоящие из монокристаллов граната Y-Al, обладают высокой яркостью флуоресценции, низким поглощением рассеянного света, а также хорошей устойчивостью к высокой температуре и механическому износу.
(5) Высокоиттриевые структурные сплавы, содержащие до 90% иттрия, могут использоваться в авиации и других областях, требующих низкой плотности и высокой температуры плавления.
(6) Высокотемпературные протонопроводящие материалы SrZrO3, легированные иттрием, которые в настоящее время привлекают большое внимание, имеют большое значение для производства топливных элементов, электролитических элементов и газовых сенсоров, требующих высокой растворимости водорода. Кроме того, иттрий используется в высокотемпературных стойких напыляемых материалах, разбавителях для топлива ядерных реакторов, добавках для материалов постоянных магнитов, а также в качестве геттера в электронной промышленности.
Скандий (Sc)
1879 г. Шведские профессора химии Л.Ф. Нильсон (1840-1899) и П.Т. Клив (1840-1905) обнаружили новый элемент в редких минералах гадолините и сильватите. Они назвали этот элемент "скандием", "бороподобным" элементом, предсказанным Менделеевым. Их открытие еще раз подтвердило правильность периодической таблицы и прозорливость Менделеева.
По сравнению с иттрием и лантанидами скандий имеет гораздо меньший ионный радиус, а его гидроксид гораздо слабее по щелочности. Поэтому, когда скандий и редкоземельные элементы смешивают и обрабатывают аммиаком (или очень разбавленной щелочью), скандий выпадает в осадок первым. Поэтому его можно относительно легко отделить от редкоземельных элементов, используя метод "дробного осаждения". Другой метод заключается в использовании поляризационного разложения нитратов для разделения. Поскольку нитрат скандия разлагается легче всего, цель разделения может быть достигнута. Металлический скандий можно получить электролизом.
При обработке металлургического скандия три вещества, ScCl3, KCl и LiCl, смешиваются и подвергаются электролизу с использованием расплавленного цинка в качестве катода. Скандий осаждается на цинковом электроде, затем цинк испаряется, и остается только металлический скандий.
Кроме того, скандий очень легко извлекается при переработке руды для получения урана, тория и лантаноидов.
Речь идет не только об уране, тории и лантаноидных элементах, но и о восстановлении сопутствующего скандия из вольфрамовых и оловянных руд, которые считаются важным источником скандия. В соединениях скандий находится в основном в трехвалентном состоянии и очень чувствителен к окислению кислородом воздуха в виде Sc2O3; при этом блеск металла исчезает, а цвет меняется на темно-серый.
Кроме того, основными областями применения скандия являются:
(1) Скандий может реагировать с горячей водой с выделением водорода, а также легко растворяется в кислоте. Он является сильным восстановителем.
(2) Оксиды и гидроксиды скандия только щелочные, но золь их солей почти нерастворим в воде. Хлорид скандия - это белый кристалл, который легко растворяется в воде и может быть разложен на воздухе.
(3) В металлургической промышленности скандий часто используется при изготовлении сплавов (добавки к сплавам) для повышения прочности, твердости, жаростойкости и эксплуатационных характеристик сплава. Например, добавление небольшого количества скандия в расплавленный чугун может значительно улучшить свойства чугуна, а добавление небольшого количества скандия в алюминий может повысить его прочность и жаростойкость.
(4) Скандий - элемент, который находит многочисленные применения в полупроводниковой промышленности. Одним из таких примеров является использование сульфита скандия в полупроводниках, которые стали очень популярны среди разных стран; кроме того, скандийсодержащие ферриты до сих пор являются перспективными компьютерными сердечниками.
(5) В химической промышленности соединения скандия используются в качестве агентов дегидрирования и дегидратации спирта, а также в качестве эффективных катализаторов при производстве этилена и хлора с использованием отработанной соляной кислоты.
(6) Специальные стекла, содержащие скандий, могут быть изготовлены в стекольной промышленности.
(7) В электроосветительной промышленности скандий-натриевые лампы, изготовленные из скандия и натрия, имеют преимущества высокой эффективности и положительного цвета света.
(8) Скандий существует в природе в виде 45Sc. Кроме того, скандий имеет девять радиоактивных изотопов, а именно 40-44Sc и 46-49Sc. Среди них 46Sc используется в качестве трассера в химической промышленности, металлургии и океанографии.
Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!
