Редкоземни наноматериали Редкоземните елементи имат уникална електронна структура от подслой 4f, голям атомен магнитен момент, силно свързване на орбитата на въртене и други характеристики, което води до много богати оптични, електрически, магнитни и други свойства. Те са незаменими стратегически материали за страните по света за трансформиране на традиционни индустрии и развитие на високи технологии и са известни като „съкровищницата на новите материали“.
В допълнение към приложенията си в традиционни области като металургични машини, нефтохимикали, стъклокерамика и лек текстил,редкоземни елементиса също ключови поддържащи материали в нововъзникващи области като чиста енергия, големи превозни средства, нови енергийни превозни средства, полупроводниково осветление и нови дисплеи, тясно свързани с човешкия живот.
След десетилетия на развитие фокусът на изследванията, свързани с редкоземните елементи, съответно се измести от топенето и разделянето на единични редкоземни елементи с висока чистота към високотехнологичните приложения на редкоземните елементи в магнетизма, оптиката, електричеството, съхранението на енергия, катализите, биомедицината, и други полета. От една страна, има по-голяма тенденция към редкоземни композитни материали в материалната система; От друга страна, той е по-фокусиран върху нискоразмерни функционални кристални материали по отношение на морфологията. Особено с развитието на съвременната нанонаука, комбинирайки ефектите на малкия размер, квантовите ефекти, повърхностните ефекти и интерфейсните ефекти на наноматериалите с уникалните характеристики на структурата на електронния слой на редкоземните елементи, редкоземните наноматериали проявяват много нови свойства, различни от традиционните материали, максимизирайки отличното представяне на редкоземни материали и допълнително разширяване на приложението му в областта на традиционните материали и новото високотехнологично производство.
Понастоящем има главно следните силно обещаващи наноматериали от редки земни елементи, а именно нано луминесцентни материали от редки земни елементи, нано каталитични материали от редки земни елементи, наномагнитни материали от редки земни елементи,нано цериев оксидматериали за защита от ултравиолетови лъчи и други нано функционални материали.
номер 1Редкоземни нано луминесцентни материали
01. Редкоземни органично-неорганични хибридни луминесцентни наноматериали
Композитните материали съчетават различни функционални единици на молекулярно ниво за постигане на допълващи се и оптимизирани функции. Органичният неорганичен хибриден материал има функциите на органични и неорганични компоненти, показващи добра механична стабилност, гъвкавост, термична стабилност и отлична обработваемост.
Редкоземникомплексите имат много предимства, като висока чистота на цвета, дълъг живот на възбудено състояние, висок квантов добив и богати линии на емисионния спектър. Те се използват широко в много области, като дисплей, усилване на оптичен вълновод, твърдотелни лазери, биомаркери и борба с фалшифицирането. Въпреки това, ниската фототермична стабилност и лошата обработваемост на редкоземните комплекси сериозно възпрепятстват тяхното приложение и промоция. Комбинирането на редкоземни комплекси с неорганични матрици с добри механични свойства и стабилност е ефективен начин за подобряване на луминесцентните свойства на редкоземните комплекси.
От разработването на редкоземни органични неорганични хибридни материали, тенденциите на тяхното развитие показват следните характеристики:
① Хибридният материал, получен чрез метод на химическо допиране, има стабилни активни компоненти, високо количество допинг и равномерно разпределение на компонентите;
② Трансформиране от единични функционални материали към многофункционални материали, разработване на многофункционални материали, за да се направят техните приложения по-обширни;
③ Матрицата е разнообразна, от основно силициев диоксид до различни субстрати като титанов диоксид, органични полимери, глини и йонни течности.
02. Бял LED редкоземен луминисцентен материал
В сравнение със съществуващите осветителни технологии, полупроводниковите осветителни продукти като светодиоди (LED) имат предимства като дълъг експлоатационен живот, ниска консумация на енергия, висока светлинна ефективност, без живак, без UV и стабилна работа. Те се считат за „източник на светлина от четвърто поколение“ след лампите с нажежаема жичка, флуоресцентните лампи и газоразрядните лампи с висока якост (HIDs).
Белият светодиод се състои от чипове, субстрати, фосфор и драйвери. Редкоземният флуоресцентен прах играе решаваща роля в работата на белия светодиод. През последните години беше извършена голяма изследователска работа върху бели LED фосфори и беше постигнат отличен напредък:
① Разработването на нов тип фосфор, възбуждан от син светодиод (460m), е извършило изследване за допинг и модификация на YAO2Ce (YAG: Ce), използван в сини LED чипове за подобряване на светлинната ефективност и цветопредаване;
② Разработването на нови флуоресцентни прахове, възбудени от ултравиолетова светлина (400 m) или ултравиолетова светлина (360 mm), систематично изследва състава, структурата и спектралните характеристики на червените и зелените сини флуоресцентни прахове, както и различните съотношения на трите флуоресцентни праха за получаване на бял светодиод с различни цветни температури;
③ Извършена е допълнителна работа по основните научни въпроси в процеса на приготвяне на флуоресцентен прах, като влиянието на процеса на приготвяне върху потока, за да се гарантира качеството и стабилността на флуоресцентния прах.
В допълнение, светодиодът с бяла светлина използва основно смесен процес на опаковане на флуоресцентен прах и силикон. Поради лошата топлопроводимост на флуоресцентния прах, устройството ще се нагрее поради продължително време на работа, което ще доведе до стареене на силикона и съкращаване на експлоатационния живот на устройството. Този проблем е особено сериозен при светодиоди с бяла светлина с висока мощност. Дистанционното опаковане е един от начините за решаване на този проблем чрез прикрепване на флуоресцентен прах към субстрата и отделянето му от източника на синя LED светлина, като по този начин се намалява въздействието на топлината, генерирана от чипа, върху луминесцентните характеристики на флуоресцентния прах. Ако редкоземната флуоресцентна керамика има характеристиките на висока топлопроводимост, висока устойчивост на корозия, висока стабилност и отлична оптична изходна производителност, те могат по-добре да отговорят на изискванията за приложение на бял светодиод с висока мощност и висока енергийна плътност. Микро нано праховете с висока активност на синтероване и висока дисперсия се превърнаха във важна предпоставка за получаването на оптична функционална керамика с висока прозрачност на редкоземни елементи с висока оптична изходна производителност.
03. Редкоземни луминесцентни наноматериали с преобразуване
Луминесценцията с повишено преобразуване е специален тип процес на луминесценция, характеризиращ се с поглъщането на множество нискоенергийни фотони от луминесцентни материали и генерирането на високоенергийна фотонна емисия. В сравнение с традиционните молекули на органичното багрило или квантовите точки, луминесцентните наноматериали с редкоземно преобразуване имат много предимства като голямо анти-Стоксово изместване, тясна емисионна лента, добра стабилност, ниска токсичност, голяма дълбочина на проникване в тъканите и ниска спонтанна флуоресцентна интерференция. Те имат широки перспективи за приложение в областта на биомедицината.
През последните години редкоземните луминисцентни наноматериали с повишена конверсия постигнаха значителен напредък в синтеза, повърхностната модификация, повърхностната функционализация и биомедицинските приложения. Хората подобряват характеристиките на луминесценцията на материалите чрез оптимизиране на техния състав, фазово състояние, размер и т.н. в наномащаба и комбиниране на структурата на ядрото/обвивката, за да намалят центъра на гасене на луминесценцията, за да увеличат вероятността за преход. Чрез химическа модификация, установяване на технологии с добра биосъвместимост за намаляване на токсичността и разработване на методи за изобразяване за преобразуване на луминисцентни живи клетки и in vivo; Разработване на ефикасни и безопасни методи за биологично свързване въз основа на нуждите на различни приложения (клетки за имунно откриване, in vivo флуоресцентно изобразяване, фотодинамична терапия, фототермична терапия, лекарства с фотоконтролирано освобождаване и др.).
Това изследване има огромен потенциал за приложение и икономически ползи и има важно научно значение за развитието на наномедицината, насърчаването на човешкото здраве и социалния прогрес.
No.2 Редкоземни наномагнитни материали
Редкоземните постоянни магнитни материали са преминали през три етапа на развитие: SmCo5, Sm2Co7 и Nd2Fe14B. Като бързо закален NdFeB магнитен прах за свързани материали с постоянен магнит, размерът на зърното варира от 20 nm до 50 nm, което го прави типичен нанокристален редкоземен постоянен магнитен материал.
Редкоземните наномагнитни материали имат характеристиките на малък размер, структура с един домейн и висока коерцитивност. Използването на магнитни записващи материали може да подобри съотношението сигнал/шум и качеството на изображението. Поради малките си размери и висока надеждност, използването му в микромоторни системи е важна посока за развитието на новото поколение авиационни, космически и морски двигатели. За магнитна памет, магнитна течност, Giant Magneto Resistance материали, производителността може да бъде значително подобрена, което прави устройствата да станат високоефективни и миниатюризирани.
No3Редкоземни нанокаталитични материали
Редкоземните каталитични материали включват почти всички каталитични реакции. Поради повърхностните ефекти, ефектите на обема и ефектите на квантовите размери, нанотехнологията за редки земни елементи привлича все повече внимание. В много химични реакции се използват редкоземни катализатори. Ако се използват редкоземни нанокатализатори, каталитичната активност и ефективност ще бъдат значително подобрени.
Редкоземните нанокатализатори обикновено се използват при каталитичен крекинг на петрол и пречистване на автомобилни отработени газове. Най-често използваните редкоземни нанокаталитични материали саCeO2иLa2O3, които могат да се използват като катализатори и промотори, както и като носители на катализатори.
No4Нано цериев оксидултравиолетово екраниращ материал
Нано цериевият оксид е известен като ултравиолетов изолиращ агент от трето поколение, с добър изолационен ефект и висока пропускливост. В козметиката трябва да се използва нано церия с ниска каталитична активност като UV изолиращ агент. Поради това вниманието на пазара и разпознаването на нано цериев оксид ултравиолетови екраниращи материали са високи. Непрекъснатото подобряване на интеграцията на интегрални схеми изисква нови материали за процесите на производство на чипове с интегрални схеми. Новите материали имат по-високи изисквания за полиращи течности, а полупроводниковите редкоземни полиращи течности трябва да отговарят на това изискване, с по-бърза скорост на полиране и по-малък обем на полиране. Нано редкоземните полиращи материали имат широк пазар.
Значителното увеличение на притежаваните автомобили причини сериозно замърсяване на въздуха и инсталирането на катализатори за пречистване на отработените газове е най-ефективният начин за контролиране на замърсяването с отработени газове. Нано церий-циркониеви композитни оксиди играят важна роля в подобряването на качеството на пречистването на остатъчните газове.
No.5 Други нано функционални материали
01. Редкоземни нанокерамични материали
Нано керамичният прах може значително да намали температурата на синтероване, която е с 200 ℃ ~ 300 ℃ по-ниска от тази на ненано керамичния прах със същия състав. Добавянето на нано CeO2 към керамиката може да намали температурата на синтероване, да попречи на растежа на решетката и да подобри плътността на керамиката. Добавяне на редкоземни елементи катоY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2може да предотврати високотемпературна фазова трансформация и крехкост на ZrO2 и да получи закалени керамични структурни материали с фазова трансформация на ZrO2.
Електронна керамика (електронни сензори, PTC материали, микровълнови материали, кондензатори, термистори и др.), подготвени с помощта на ултрафини или наноразмерни CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3и т.н. имат подобрени електрически, термични и стабилни свойства.
Добавянето на активирани от редкоземни фотокаталитични композитни материали към формулата на глазурата може да подготви редкоземна антибактериална керамика.
02. Редкоземни нано тънкослойни материали
С развитието на науката и технологиите изискванията за производителност на продуктите стават все по-строги, като се изискват продукти с ултра фини, ултра тънки, ултрависока плътност и ултра пълнене. В момента има три основни категории разработени нано филми от редкоземни елементи: комплексни нано филми от редкоземни елементи, нано филми от редкоземни оксиди и филми от нано сплави от редкоземни елементи. Редкоземните нано филми също играят важна роля в информационната индустрия, катализата, енергетиката, транспорта и медицината на живота.
Заключение
Китай е основна страна в редкоземните ресурси. Разработването и прилагането на редкоземни наноматериали е нов начин за ефективно използване на редкоземните ресурси. За да се разшири обхватът на приложение на редкоземните материали и да се насърчи разработването на нови функционални материали, трябва да се създаде нова теоретична система в теорията на материалите, която да отговори на нуждите от изследвания в наномащаба, да направи редкоземните наноматериали с по-добра производителност и да направи появата на възможни нови свойства и функции.
Време на публикуване: 29 май 2023 г