Nanomaterials de terres rares Els elements de terres rares tenen una estructura electrònica de subcapa 4f única, un gran moment magnètic atòmic, un fort acoblament d'òrbita de gir i altres característiques, donant lloc a propietats òptiques, elèctriques, magnètiques i altres molt riques. Són materials estratègics indispensables perquè els països d'arreu del món transformin les indústries tradicionals i desenvolupin l'alta tecnologia, i són coneguts com la "casa del tresor dels nous materials".
A més de les seves aplicacions en camps tradicionals com la maquinària metal·lúrgica, petroquímica, vitroceràmica i tèxtil lleuger,terres raresTambé són materials de suport clau en camps emergents com l'energia neta, els vehicles grans, els vehicles d'energia nova, la il·luminació de semiconductors i les noves pantalles, estretament relacionades amb la vida humana.
Després de dècades de desenvolupament, el focus de la investigació relacionada amb les terres rares ha passat de la fosa i la separació de terres rares d'alta puresa a les aplicacions d'alta tecnologia de les terres rares en magnetisme, òptica, electricitat, emmagatzematge d'energia, catàlisi, biomedicina, i altres camps. D'una banda, hi ha una major tendència cap als materials compostos de terres rares en el sistema de materials; D'altra banda, està més centrat en materials cristal·lins funcionals de baixa dimensió pel que fa a la morfologia. Especialment amb el desenvolupament de la nanociència moderna, combinant els efectes de petita mida, els efectes quàntics, els efectes de superfície i els efectes d'interfície dels nanomaterials amb les característiques úniques d'estructura de capa electrònica dels elements de terres rares, els nanomaterials de terres rares presenten moltes propietats noves diferents dels materials tradicionals, maximitzant al màxim l'excel·lent rendiment dels materials de terres rares i ampliar encara més la seva aplicació en els camps dels materials tradicionals i la nova fabricació d'alta tecnologia.
Actualment, hi ha principalment els següents nanomaterials de terres rares molt prometedors, és a dir, materials nanoluminiscents de terres rares, materials nanocatalítics de terres rares, materials nanomagnètics de terres rares,nano òxid de cerimaterials de protecció ultraviolada i altres materials nanofuncionals.
No.1Materials nanoluminiscents de terres rares
01. Nanomaterials luminiscents híbrids orgànics-inorgànics de terres rares
Els materials compostos combinen diferents unitats funcionals a nivell molecular per aconseguir funcions complementàries i optimitzades. El material híbrid orgànic inorgànic té les funcions de components orgànics i inorgànics, mostrant una bona estabilitat mecànica, flexibilitat, estabilitat tèrmica i una excel·lent processabilitat.
Terres raresEls complexos tenen molts avantatges, com ara una gran puresa de color, una llarga vida en estat excitat, un alt rendiment quàntic i riques línies d'espectre d'emissió. S'utilitzen àmpliament en molts camps, com ara la pantalla, l'amplificació de guia d'ona òptica, els làsers d'estat sòlid, el biomarcador i la lluita contra la falsificació. Tanmateix, la baixa estabilitat fototèrmica i la mala processabilitat dels complexos de terres rares dificulten seriosament la seva aplicació i promoció. La combinació de complexos de terres rares amb matrius inorgàniques amb bones propietats mecàniques i estabilitat és una manera eficaç de millorar les propietats luminiscents dels complexos de terres rares.
Des del desenvolupament del material híbrid inorgànic orgànic de terres rares, les seves tendències de desenvolupament mostren les característiques següents:
① El material híbrid obtingut pel mètode de dopatge químic té components actius estables, gran quantitat de dopatge i distribució uniforme dels components;
② Transformació de materials funcionals únics a materials multifuncionals, desenvolupant materials multifuncionals per fer les seves aplicacions més extenses;
③ La matriu és diversa, des principalment de sílice fins a diversos substrats com ara diòxid de titani, polímers orgànics, argiles i líquids iònics.
02. Material luminiscent de terres rares LED blanc
En comparació amb les tecnologies d'il·luminació existents, els productes d'il·luminació de semiconductors com els díodes emissors de llum (LED) tenen avantatges com ara una llarga vida útil, baix consum d'energia, alta eficiència lluminosa, lliure de mercuri, sense UV i funcionament estable. Es consideren la "font de llum de quarta generació" després de les làmpades incandescents, les làmpades fluorescents i les làmpades de descàrrega de gas (HID) d'alta resistència.
El LED blanc es compon de xips, substrats, fòsfors i controladors. La pols fluorescent de terres rares té un paper crucial en el rendiment del LED blanc. En els darrers anys, s'ha realitzat una gran quantitat de treballs d'investigació sobre fòsfors LED blancs i s'han avançat excel·lents:
① El desenvolupament d'un nou tipus de fòsfor excitat per LED blau (460 m) ha dut a terme investigacions de dopatge i modificació sobre YAO2Ce (YAG: Ce) utilitzat en xips LED blaus per millorar l'eficiència de la llum i la representació del color;
② El desenvolupament de noves pols fluorescents excitades per llum ultraviolada (400 m) o llum ultraviolada (360 mm) ha estudiat sistemàticament la composició, l'estructura i les característiques espectrals de les pols fluorescents vermelles i blaves, així com les diferents proporcions de les tres pols fluorescents. per obtenir LED blanc amb diferents temperatures de color;
③ S'ha realitzat més treballs sobre les qüestions científiques bàsiques en el procés de preparació de la pols fluorescent, com ara la influència del procés de preparació en el flux, per garantir la qualitat i l'estabilitat de la pols fluorescent.
A més, el LED de llum blanca adopta principalment un procés d'embalatge mixt de pols fluorescent i silicona. A causa de la mala conductivitat tèrmica de la pols fluorescent, el dispositiu s'escalfarà a causa del temps de treball prolongat, provocant l'envelliment de la silicona i escurçant la vida útil del dispositiu. Aquest problema és especialment greu en els LED de llum blanca d'alta potència. L'embalatge remot és una manera de resoldre aquest problema connectant pols fluorescent al substrat i separant-lo de la font de llum LED blava, reduint així l'impacte de la calor generada pel xip sobre el rendiment luminescent de la pols fluorescent. Si les ceràmiques fluorescents de terres rares tenen les característiques d'alta conductivitat tèrmica, alta resistència a la corrosió, alta estabilitat i excel·lent rendiment de sortida òptica, poden satisfer millor els requisits d'aplicació de LED blanc d'alta potència amb alta densitat d'energia. Les pols micro nano amb alta activitat de sinterització i alta dispersió s'han convertit en un requisit previ important per a la preparació de ceràmiques funcionals òptiques de terres rares d'alta transparència amb un alt rendiment òptic.
03. Nanomaterials luminescents de conversió ascendent de terres rares
La luminescència de conversió ascendent és un tipus especial de procés de luminescència caracteritzat per l'absorció de múltiples fotons de baixa energia per materials luminescents i la generació d'emissió de fotons d'alta energia. En comparació amb les molècules de colorants orgànics tradicionals o els punts quàntics, els nanomaterials luminescents de conversió de terres rares tenen molts avantatges, com ara un gran desplaçament anti Stokes, banda d'emissió estreta, bona estabilitat, baixa toxicitat, gran profunditat de penetració de teixits i baixa interferència de fluorescència espontània. Tenen àmplies perspectives d'aplicació en l'àmbit biomèdic.
En els darrers anys, els nanomaterials luminescents de conversió ascendent de terres rares han fet progressos significatius en la síntesi, la modificació de la superfície, la funcionalització de la superfície i les aplicacions biomèdiques. Les persones milloren el rendiment de la luminiscència dels materials optimitzant la seva composició, estat de fase, mida, etc. a nanoescala i combinant l'estructura del nucli / closca per reduir el centre d'extinció de la luminescència, per tal d'augmentar la probabilitat de transició. Mitjançant la modificació química, establir tecnologies amb una bona biocompatibilitat per reduir la toxicitat i desenvolupar mètodes d'imatge per a cèl·lules vives luminescents de conversió ascendent i in vivo; Desenvolupar mètodes d'acoblament biològic eficients i segurs basats en les necessitats de les diferents aplicacions (cèl·lules de detecció immune, imatges de fluorescència in vivo, teràpia fotodinàmica, teràpia fototèrmica, fàrmacs d'alliberament fotocontrolat, etc.).
Aquest estudi té un enorme potencial d'aplicació i beneficis econòmics, i té una importància científica important per al desenvolupament de la nanomedicina, la promoció de la salut humana i el progrés social.
No.2 Materials nanomagnètics de terres rares
Els materials d'imants permanents de terres rares han passat per tres etapes de desenvolupament: SmCo5, Sm2Co7 i Nd2Fe14B. Com a pols magnètica NdFeB d'apagada ràpida per a materials d'imants permanents units, la mida del gra oscil·la entre 20 nm i 50 nm, cosa que el converteix en un material d'imant permanent nanocristal·lí típic de terres rares.
Els materials nanomagnètics de terres rares tenen les característiques de mida petita, estructura de domini únic i alta coercivitat. L'ús de materials d'enregistrament magnètic pot millorar la relació senyal-soroll i la qualitat de la imatge. A causa de la seva petita mida i alta fiabilitat, el seu ús en sistemes de micromotors és una direcció important per al desenvolupament de la nova generació de motors d'aviació, aeroespacial i marins. Per a la memòria magnètica, el fluid magnètic, els materials de resistència al magneto gegant, el rendiment es pot millorar molt, fent que els dispositius siguin d'alt rendiment i miniaturitzats.
No.3Terres rares nanomaterials catalítics
Els materials catalítics de terres rares impliquen gairebé totes les reaccions catalítiques. A causa dels efectes de superfície, efectes de volum i efectes de mida quàntica, la nanotecnologia de terres rares ha cridat cada cop més l'atenció. En moltes reaccions químiques s'utilitzen catalitzadors de terres rares. Si s'utilitzen nanocatalitzadors de terres rares, l'activitat i l'eficiència catalítica milloraran molt.
Els nanocatalitzadors de terres rares s'utilitzen generalment en el tractament de craqueig catalític de petroli i de purificació d'escapament d'automòbils. Els materials nanocatalítics de terres rares més utilitzats sónCeO2iLa2O3, que es poden utilitzar com a catalitzadors i promotors, així com com a portadors de catalitzadors.
No.4Nano òxid de cerimaterial de protecció ultraviolada
L'òxid de ceri nano es coneix com l'agent d'aïllament ultraviolat de tercera generació, amb un bon efecte d'aïllament i una alta transmitància. En cosmètica, la nanoceria de baixa activitat catalítica s'ha d'utilitzar com a agent aïllant UV. Per tant, l'atenció del mercat i el reconeixement dels materials de protecció ultraviolada d'òxid de ceri nano són alts. La millora contínua de la integració de circuits integrats requereix nous materials per als processos de fabricació de xips de circuits integrats. Els nous materials tenen requisits més elevats per als fluids de poliment, i els fluids de poliment de terres rares semiconductors han de complir aquest requisit, amb una velocitat de poliment més ràpida i menys volum de poliment. Els materials de poliment de terres rares nano tenen un mercat ampli.
L'augment significatiu de la propietat d'automòbils ha provocat una greu contaminació de l'aire, i la instal·lació de catalitzadors de purificació d'escapament d'automòbils és la forma més eficaç de controlar la contaminació de l'escapament. Els òxids compostos de nanoceri zirconi tenen un paper important en la millora de la qualitat de la purificació del gas de cua.
No.5 Altres materials nanofuncionals
01. Materials nanoceràmics de terres rares
La pols de ceràmica nano pot reduir significativament la temperatura de sinterització, que és 200 ℃ ~ 300 ℃ inferior a la de la pols de ceràmica no nano amb la mateixa composició. L'addició de nano CeO2 a la ceràmica pot reduir la temperatura de sinterització, inhibir el creixement de la gelosia i millorar la densitat de la ceràmica. Afegint elements de terres rares com araY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2pot prevenir la transformació de fase a alta temperatura i la fragilitat de ZrO2 i obtenir materials estructurals ceràmics endurits per transformació de fase ZrO2.
Ceràmiques electròniques (sensors electrònics, materials PTC, materials de microones, condensadors, termistors, etc.) preparades amb CeO2, Y2O3, ultrafins o nanoescala,Nd2O3, Sm2O3, etc. tenen propietats elèctriques, tèrmiques i d'estabilitat millorades.
L'addició de materials compostos fotocatalítics activats amb terres rares a la fórmula d'esmalt pot preparar ceràmica antibacteriana de terres rares.
02.Materials de pel·lícula fina nano terres rares
Amb el desenvolupament de la ciència i la tecnologia, els requisits de rendiment dels productes són cada cop més estrictes, i requereixen productes de densitat ultrafina, ultrafina, ultra alta i ultra-ompliment. Actualment, hi ha tres categories principals de nanopel·lícules de terres rares desenvolupades: nanopel·lícules complexes de terres rares, nanopel·lícules d'òxid de terres rares i pel·lícules de nanoaliatge de terres rares. Les nanopel·lícules de terres rares també tenen un paper important en la indústria de la informació, la catàlisi, l'energia, el transport i la medicina vital.
Conclusió
La Xina és un país important en recursos de terres rares. El desenvolupament i l'aplicació de nanomaterials de terres rares és una nova manera d'utilitzar eficaçment els recursos de terres rares. Per tal d'ampliar l'àmbit d'aplicació de les terres rares i promoure el desenvolupament de nous materials funcionals, s'hauria d'establir un nou sistema teòric en la teoria dels materials per satisfer les necessitats de recerca a escala nanomètrica, fer que els nanomaterials de terres rares tinguin un millor rendiment i fer que apareguin. de noves propietats i funcions possibles.
Hora de publicació: 29-maig-2023