Nanomateriály vzácných zemin Prvky vzácných zemin mají jedinečnou elektronickou strukturu podvrstvy 4f, velký atomový magnetický moment, silnou vazbu na oběžné dráze a další vlastnosti, což vede k velmi bohatým optickým, elektrickým, magnetickým a dalším vlastnostem. Jsou nepostradatelnými strategickými materiály pro země po celém světě pro transformaci tradičních průmyslových odvětví a rozvoj špičkových technologií a jsou známé jako „domov pokladů nových materiálů“.
Kromě svých aplikací v tradičních oblastech, jako jsou hutní stroje, petrochemie, sklokeramika a lehký textil,vzácných zeminjsou také klíčovými podpůrnými materiály v nově vznikajících oblastech, jako je čistá energie, velká vozidla, nová energetická vozidla, polovodičové osvětlení a nové displeje, úzce související s lidským životem.
Po desetiletích vývoje se zaměření výzkumu souvisejícího se vzácnými zeminami odpovídajícím způsobem přesunulo od tavení a separace jednotlivých vysoce čistých vzácných zemin k high-tech aplikacím vzácných zemin v magnetismu, optice, elektřině, skladování energie, katalýze, biomedicíně, a další obory. Na jedné straně je v materiálovém systému větší trend ke kompozitním materiálům vzácných zemin; Na druhou stranu je z hlediska morfologie více zaměřen na nízkorozměrné funkční krystalové materiály. Zejména s rozvojem moderní nanovědy, která kombinuje efekty malé velikosti, kvantové efekty, povrchové efekty a efekty rozhraní nanomateriálů s jedinečnými charakteristikami struktury elektronické vrstvy prvků vzácných zemin, vykazují nanomateriály vzácných zemin mnoho nových vlastností odlišných od tradičních materiálů, maximalizují vynikající výkon materiálů vzácných zemin a dále rozšiřovat jeho použití v oblasti tradičních materiálů a nové high-tech výroby.
V současné době existují především následující vysoce perspektivní nanomateriály vzácných zemin, a to nanoluminiscenční materiály vzácných zemin, nano katalytické materiály vzácných zemin, nanomagnetické materiály vzácných zemin,nanooxid cerumateriály stínící ultrafialové záření a další nanofunkční materiály.
č.1Nanoluminiscenční materiály vzácných zemin
01. Organicko-anorganické hybridní luminiscenční nanomateriály vzácných zemin
Kompozitní materiály kombinují různé funkční jednotky na molekulární úrovni pro dosažení komplementárních a optimalizovaných funkcí. Organický anorganický hybridní materiál má funkce organických a anorganických složek, vykazuje dobrou mechanickou stabilitu, pružnost, tepelnou stabilitu a vynikající zpracovatelnost.
Vzácná zeminakomplexy mají mnoho výhod, jako je vysoká čistota barev, dlouhá životnost excitovaného stavu, vysoký kvantový výtěžek a bohaté čáry emisního spektra. Jsou široce používány v mnoha oblastech, jako je displej, zesílení optických vlnovodů, pevnolátkové lasery, biomarkery a boj proti padělání. Nízká fototermická stabilita a špatná zpracovatelnost komplexů vzácných zemin však vážně brání jejich aplikaci a propagaci. Kombinace komplexů vzácných zemin s anorganickými matricemi s dobrými mechanickými vlastnostmi a stabilitou je účinný způsob, jak zlepšit luminiscenční vlastnosti komplexů vzácných zemin.
Od vývoje organického anorganického hybridního materiálu vzácných zemin vykazují trendy jejich vývoje následující charakteristiky:
① Hybridní materiál získaný metodou chemického dopování má stabilní aktivní složky, vysoké množství dopingu a rovnoměrnou distribuci složek;
② Transformace z jednotlivých funkčních materiálů na multifunkční materiály, vývoj multifunkčních materiálů, aby se jejich aplikace rozšířily;
③ Matrice je různorodá, od primárně oxidu křemičitého po různé substráty, jako je oxid titaničitý, organické polymery, jíly a iontové kapaliny.
02. Bílý LED luminiscenční materiál ze vzácných zemin
V porovnání se stávajícími osvětlovacími technologiemi mají polovodičové osvětlovací produkty, jako jsou světelné diody (LED), výhody, jako je dlouhá životnost, nízká spotřeba energie, vysoká světelná účinnost, bez rtuti, UV záření a stabilní provoz. Jsou považovány za „světelný zdroj čtvrté generace“ po žárovkách, zářivkách a vysokopevnostních plynových výbojkách (HID).
Bílá LED se skládá z čipů, substrátů, fosforů a ovladačů. Fluorescenční prášek vzácných zemin hraje zásadní roli ve výkonu bílé LED. V posledních letech bylo provedeno velké množství výzkumných prací na bílých LED luminoforech a bylo dosaženo vynikajícího pokroku:
① Vývoj nového typu fosforu buzeného modrou LED (460 m) provedl dopingový a modifikační výzkum YAO2Ce (YAG: Ce) používaného v modrých LED čipech pro zlepšení světelné účinnosti a podání barev;
② Vývoj nových fluorescenčních prášků excitovaných ultrafialovým světlem (400 m) nebo ultrafialovým světlem (360 mm) systematicky studoval složení, strukturu a spektrální charakteristiky červených a zelených modrých fluorescenčních prášků, stejně jako různé poměry tří fluorescenčních prášků získat bílou LED s různými teplotami barev;
③ Byla provedena další práce na základních vědeckých otázkách v procesu přípravy fluorescenčního prášku, jako je vliv procesu přípravy na tavidlo, aby byla zajištěna kvalita a stabilita fluorescenčního prášku.
Kromě toho, bílé světlo LED používá hlavně smíšený proces balení fluorescenčního prášku a silikonu. Kvůli špatné tepelné vodivosti fluorescenčního prášku se zařízení bude zahřívat v důsledku prodloužené pracovní doby, což vede ke stárnutí silikonu a zkrácení životnosti zařízení. Tento problém je zvláště závažný u vysoce výkonných LED diod s bílým světlem. Vzdálené balení je jedním ze způsobů, jak tento problém vyřešit připojením fluorescenčního prášku k substrátu a jeho oddělením od zdroje modrého LED světla, čímž se sníží dopad tepla generovaného čipem na luminiscenční výkon fluorescenčního prášku. Pokud má fluorescenční keramika vzácných zemin vlastnosti vysoké tepelné vodivosti, vysoké odolnosti proti korozi, vysoké stability a vynikajícího optického výstupního výkonu, může lépe splňovat aplikační požadavky na vysoce výkonné bílé LED s vysokou hustotou energie. Mikro nanoprášky s vysokou slinovací aktivitou a vysokou disperzí se staly důležitým předpokladem pro přípravu vysoce transparentní optické funkční keramiky vzácných zemin s vysokým optickým výstupním výkonem.
03. Upkonverzní luminiscenční nanomateriály vzácných zemin
Upkonverzní luminiscence je speciální typ luminiscenčního procesu charakterizovaný absorpcí více nízkoenergetických fotonů luminiscenčními materiály a generováním vysokoenergetické emise fotonů. Ve srovnání s tradičními molekulami organického barviva nebo kvantovými tečkami mají luminiscenční nanomateriály vzácných zemin upkonverzní mnoho výhod, jako je velký anti Stokesův posun, úzké emisní pásmo, dobrá stabilita, nízká toxicita, vysoká hloubka pronikání do tkáně a nízká spontánní fluorescenční interference. Mají široké uplatnění v biomedicínské oblasti.
V posledních letech zaznamenaly upkonverzní luminiscenční nanomateriály vzácných zemin významný pokrok v syntéze, modifikaci povrchu, funkcionalizaci povrchu a biomedicínských aplikacích. Lidé zlepšují luminiscenční výkon materiálů optimalizací jejich složení, fázového stavu, velikosti atd. v nanoměřítku a kombinováním struktury jádro/plášť ke snížení centra zhášení luminiscence, aby se zvýšila pravděpodobnost přechodu. Chemickou modifikací zavést technologie s dobrou biokompatibilitou pro snížení toxicity a vyvinout zobrazovací metody pro upkonverzní luminiscenční živé buňky a in vivo; Vyvinout účinné a bezpečné biologické vazebné metody založené na potřebách různých aplikací (imunitní detekční buňky, fluorescenční zobrazování in vivo, fotodynamická terapie, fototermální terapie, léky s řízeným uvolňováním světla atd.).
Tato studie má obrovský aplikační potenciál a ekonomický přínos a má důležitý vědecký význam pro rozvoj nanomedicíny, podporu lidského zdraví a společenský pokrok.
č.2 Nanomagnetické materiály vzácných zemin
Materiály s permanentními magnety vzácných zemin prošly třemi vývojovými fázemi: SmCo5, Sm2Co7 a Nd2Fe14B. Jako rychle zchlazený magnetický prášek NdFeB pro lepené materiály s permanentními magnety se velikost zrna pohybuje od 20 nm do 50 nm, což z něj činí typický nanokrystalický materiál s permanentními magnety vzácných zemin.
Nanomagnetické materiály vzácných zemin se vyznačují malou velikostí, strukturou jedné domény a vysokou koercitivitou. Použití magnetických záznamových materiálů může zlepšit poměr signálu k šumu a kvalitu obrazu. Díky malým rozměrům a vysoké spolehlivosti je jeho použití v mikromotorových systémech důležitým směrem pro vývoj nové generace leteckých, kosmických a námořních motorů. Pro magnetickou paměť, magnetickou tekutinu a materiály Giant Magneto Resistance lze výkon výrazně zlepšit, čímž se zařízení stanou vysoce výkonnými a miniaturizovanými.
č.3Vzácné zeminy nanokatalytické materiály
Katalytické materiály vzácných zemin zahrnují téměř všechny katalytické reakce. Kvůli povrchovým efektům, objemovým efektům a efektům kvantové velikosti přitahuje nanotechnologie vzácných zemin stále větší pozornost. V mnoha chemických reakcích se používají katalyzátory vzácných zemin. Pokud se použijí nanokatalyzátory vzácných zemin, katalytická aktivita a účinnost se výrazně zlepší.
Nanokatalyzátory vzácných zemin se obecně používají při katalytickém krakování ropy a čištění výfukových plynů automobilů. Nejčastěji používané nanokatalytické materiály vzácných zemin jsouCeO2aLa2O3které mohou být použity jako katalyzátory a promotory, stejně jako nosiče katalyzátorů.
č.4Nano oxid cerumateriál stínící ultrafialové záření
Nanooxid ceru je známý jako třetí generace ultrafialového izolačního činidla s dobrým izolačním účinkem a vysokou propustností. V kosmetice se musí nano ceria s nízkou katalytickou aktivitou používat jako UV izolační činidlo. Proto je pozornost trhu a uznání materiálů pro stínění ultrafialového záření nanooxidu ceru vysoká. Neustálé zlepšování integrace integrovaných obvodů vyžaduje nové materiály pro procesy výroby čipů integrovaných obvodů. Nové materiály mají vyšší požadavky na lešticí kapaliny a polovodičové lešticí kapaliny vzácných zemin musí tento požadavek splňovat, s vyšší rychlostí leštění a menším objemem leštění. Nano lešticí materiály vzácných zemin mají široký trh.
Významný nárůst vlastnictví automobilů způsobil vážné znečištění ovzduší a instalace katalyzátorů pro čištění výfukových plynů je nejúčinnějším způsobem kontroly znečištění výfukovými plyny. Kompozitní oxidy nanoceru a zirkonia hrají důležitou roli při zlepšování kvality čištění koncových plynů.
č.5 Další nano funkční materiály
01. Nano keramické materiály vzácných zemin
Nano keramický prášek může výrazně snížit teplotu slinování, která je o 200 ℃ ~ 300 ℃ nižší než u nano keramického prášku se stejným složením. Přidání nano CeO2 do keramiky může snížit teplotu slinování, inhibovat růst mřížky a zlepšit hustotu keramiky. Přidání prvků vzácných zemin jako napřY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2může zabránit vysokoteplotní fázové transformaci a křehnutí ZrO2 a získat keramické konstrukční materiály zpevněné fázovou transformací ZrO2.
Elektronická keramika (elektronické senzory, PTC materiály, mikrovlnné materiály, kondenzátory, termistory atd.) připravená pomocí ultrajemných nebo nanometrových CeO2, Y2O3,Nd203, Sm2O3atd. mají zlepšené elektrické, tepelné vlastnosti a vlastnosti stability.
Přidáním fotokatalytických kompozitních materiálů aktivovaných vzácnými zeminami do receptury glazury lze připravit antibakteriální keramiku vzácných zemin.
02. Tenkovrstvé nano materiály ze vzácných zemin
S rozvojem vědy a technologie jsou požadavky na výkon produktů stále přísnější a vyžadují ultra jemné, ultratenké, ultravysokou hustotu a ultra-náplň produktů. V současné době existují tři hlavní kategorie nano filmů ze vzácných zemin: nano filmy ze vzácných zemin, nano filmy z oxidů vzácných zemin a filmy ze slitin nano slitin vzácných zemin. Nano filmy ze vzácných zemin také hrají důležitou roli v informačním průmyslu, katalýze, energetice, dopravě a medicíně života.
Závěr
Čína je významnou zemí ve zdrojích vzácných zemin. Vývoj a aplikace nanomateriálů vzácných zemin je nový způsob, jak efektivně využívat zdroje vzácných zemin. Aby se rozšířil rozsah použití vzácných zemin a podpořil vývoj nových funkčních materiálů, měl by být v teorii materiálů vytvořen nový teoretický systém, který by vyhovoval potřebám výzkumu v nanoměřítku, zajistil lepší výkon nanomateriálů vzácných zemin a umožnil vznik nových vlastností a funkcí.
Čas odeslání: 29. května 2023