Dieses Seltenerdmaterial hat großes Potenzial!

Nanomaterialien aus seltenen Erden

Seltenerd-Nanomaterialien Seltenerdelemente verfügen über eine einzigartige elektronische 4f-Unterschichtstruktur, ein großes atomares magnetisches Moment, eine starke Spin-Bahn-Kopplung und andere Eigenschaften, was zu sehr reichhaltigen optischen, elektrischen, magnetischen und anderen Eigenschaften führt. Sie sind unverzichtbare strategische Materialien für Länder auf der ganzen Welt, um traditionelle Industrien zu transformieren und High-Tech zu entwickeln, und werden als „Schatzkammer neuer Materialien“ bezeichnet.

Zusätzlich zu seinen Anwendungen in traditionellen Bereichen wie metallurgischen Maschinen, Petrochemie, Glaskeramik und leichten Textilien,Seltene Erdensind auch wichtige unterstützende Materialien in aufstrebenden Bereichen wie saubere Energie, große Fahrzeuge, Fahrzeuge mit neuer Energie, Halbleiterbeleuchtung und neue Displays, die eng mit dem menschlichen Leben verbunden sind.

Nach jahrzehntelanger Entwicklung hat sich der Schwerpunkt der Forschung zu seltenen Erden entsprechend vom Schmelzen und Trennen einzelner hochreiner seltener Erden hin zu High-Tech-Anwendungen seltener Erden in den Bereichen Magnetismus, Optik, Elektrizität, Energiespeicherung, Katalyse, Biomedizin usw. verlagert. und anderen Bereichen. Einerseits gibt es im Materialsystem einen stärkeren Trend zu Seltenerd-Verbundwerkstoffen; Andererseits liegt der Schwerpunkt hinsichtlich der Morphologie eher auf niedrigdimensionalen funktionellen Kristallmaterialien. Insbesondere mit der Entwicklung der modernen Nanowissenschaften, die die Kleingrößeneffekte, Quanteneffekte, Oberflächeneffekte und Grenzflächeneffekte von Nanomaterialien mit den einzigartigen elektronischen Schichtstruktureigenschaften von Seltenerdelementen kombinieren, weisen Seltenerd-Nanomaterialien viele neuartige Eigenschaften auf, die sich von herkömmlichen Materialien unterscheiden und maximieren die hervorragende Leistung von Seltenerdmaterialien und erweitern ihre Anwendung in den Bereichen traditionelle Materialien und neue High-Tech-Fertigung.

Derzeit gibt es hauptsächlich die folgenden vielversprechenden Nanomaterialien aus seltenen Erden, nämlich lumineszierende Nanomaterialien aus seltenen Erden, katalytische Nanomaterialien aus seltenen Erden, magnetische Nanomaterialien aus seltenen Erden,Nano-CeroxidUV-Schutzmaterialien und andere nanofunktionale Materialien.

Nr.1Seltenerd-Nanolumineszenzmaterialien

01. Organisch-anorganische hybride lumineszierende Nanomaterialien aus seltenen Erden

Verbundwerkstoffe kombinieren verschiedene Funktionseinheiten auf molekularer Ebene, um komplementäre und optimierte Funktionen zu erreichen. Organisch-anorganische Hybridmaterialien haben die Funktionen organischer und anorganischer Komponenten und weisen eine gute mechanische Stabilität, Flexibilität, thermische Stabilität und ausgezeichnete Verarbeitbarkeit auf.

 Seltene ErdeKomplexe haben viele Vorteile, wie z. B. hohe Farbreinheit, lange Lebensdauer des angeregten Zustands, hohe Quantenausbeute und reichhaltige Emissionsspektrumlinien. Sie werden häufig in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Anzeige, der optischen Wellenleiterverstärkung, Festkörperlasern, Biomarkern und der Fälschungssicherheit. Allerdings erschweren die geringe photothermische Stabilität und die schlechte Verarbeitbarkeit von Seltenerdkomplexen ihre Anwendung und Förderung erheblich. Die Kombination von Seltenerdkomplexen mit anorganischen Matrizen mit guten mechanischen Eigenschaften und Stabilität ist eine wirksame Möglichkeit, die Lumineszenzeigenschaften von Seltenerdkomplexen zu verbessern.

Seit der Entwicklung organischer anorganischer Seltenerd-Hybridmaterialien weisen ihre Entwicklungstrends die folgenden Merkmale auf:

① Das durch chemische Dotierungsverfahren erhaltene Hybridmaterial weist stabile aktive Komponenten, eine hohe Dotierungsmenge und eine gleichmäßige Verteilung der Komponenten auf;

② Umwandlung von Einzelfunktionsmaterialien zu multifunktionalen Materialien, Entwicklung multifunktionaler Materialien, um ihre Anwendungen umfassender zu machen;

③ Die Matrix ist vielfältig und reicht von hauptsächlich Siliciumdioxid bis hin zu verschiedenen Substraten wie Titandioxid, organischen Polymeren, Tonen und ionischen Flüssigkeiten.

02. Weißes LED-Leuchtmaterial aus seltenen Erden

Im Vergleich zu bestehenden Beleuchtungstechnologien bieten Halbleiterbeleuchtungsprodukte wie Leuchtdioden (LEDs) Vorteile wie lange Lebensdauer, geringen Energieverbrauch, hohe Lichtausbeute, Quecksilberfreiheit, UV-Freiheit und stabilen Betrieb. Sie gelten nach Glühlampen, Leuchtstofflampen und hochfesten Gasentladungslampen (HIDs) als „Lichtquelle der vierten Generation“.

Weiße LED besteht aus Chips, Substraten, Leuchtstoffen und Treibern. Seltenerd-Fluoreszenzpulver spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung weißer LEDs. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Forschungsarbeiten zu weißen LED-Leuchtstoffen durchgeführt und dabei hervorragende Fortschritte erzielt:

① Die Entwicklung eines neuen Leuchtstofftyps, der durch blaue LEDs (460 m) angeregt wird, hat Dotierungs- und Modifikationsforschung an YAO2Ce (YAG: Ce) durchgeführt, das in blauen LED-Chips verwendet wird, um die Lichteffizienz und Farbwiedergabe zu verbessern;

② Bei der Entwicklung neuer fluoreszierender Pulver, die durch ultraviolettes Licht (400 m) oder ultraviolettes Licht (360 mm) angeregt werden, wurden systematisch die Zusammensetzung, Struktur und spektralen Eigenschaften roter und grünblauer fluoreszierender Pulver sowie die unterschiedlichen Verhältnisse der drei fluoreszierenden Pulver untersucht um weiße LED mit unterschiedlichen Farbtemperaturen zu erhalten;

③ Es wurden weitere Arbeiten zu den grundlegenden wissenschaftlichen Fragen des Herstellungsprozesses von Leuchtstoffpulver durchgeführt, beispielsweise zum Einfluss des Herstellungsprozesses auf den Fluss, um die Qualität und Stabilität des Leuchtstoffpulvers sicherzustellen.

Darüber hinaus verwendet Weißlicht-LED hauptsächlich einen gemischten Verpackungsprozess aus fluoreszierendem Pulver und Silikon. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Leuchtstoffpulver erwärmt sich das Gerät bei längerer Arbeitszeit, was zu einer Alterung des Silikons und einer Verkürzung der Lebensdauer des Geräts führt. Besonders gravierend ist dieses Problem bei Hochleistungs-Weißlicht-LEDs. Remote Packaging ist eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, indem fluoreszierendes Pulver auf dem Substrat befestigt und von der blauen LED-Lichtquelle getrennt wird, wodurch der Einfluss der vom Chip erzeugten Wärme auf die Lumineszenzleistung des fluoreszierenden Pulvers verringert wird. Wenn fluoreszierende Keramiken mit seltenen Erden die Eigenschaften einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer hohen Korrosionsbeständigkeit, einer hohen Stabilität und einer hervorragenden optischen Ausgangsleistung aufweisen, können sie die Anwendungsanforderungen von weißen Hochleistungs-LEDs mit hoher Energiedichte besser erfüllen. Mikronanopulver mit hoher Sinteraktivität und hoher Dispersion sind zu einer wichtigen Voraussetzung für die Herstellung hochtransparenter optischer Funktionskeramiken aus seltenen Erden mit hoher optischer Ausgangsleistung geworden.

 03. Upconversion-lumineszierende Nanomaterialien aus seltenen Erden

 Upconversion-Lumineszenz ist ein spezieller Lumineszenzprozess, der durch die Absorption mehrerer niederenergetischer Photonen durch lumineszierende Materialien und die Erzeugung einer hochenergetischen Photonenemission gekennzeichnet ist. Im Vergleich zu herkömmlichen organischen Farbstoffmolekülen oder Quantenpunkten bieten lumineszierende Seltenerd-Upconversion-Nanomaterialien viele Vorteile, wie z. B. eine große Anti-Stokes-Verschiebung, eine schmale Emissionsbande, gute Stabilität, geringe Toxizität, hohe Gewebeeindringtiefe und geringe spontane Fluoreszenzinterferenz. Sie haben breite Anwendungsaussichten im biomedizinischen Bereich.

In den letzten Jahren haben lumineszierende Seltenerd-Upconversion-Nanomaterialien erhebliche Fortschritte in der Synthese, Oberflächenmodifikation, Oberflächenfunktionalisierung und biomedizinischen Anwendungen gemacht. Menschen verbessern die Lumineszenzleistung von Materialien, indem sie deren Zusammensetzung, Phasenzustand, Größe usw. im Nanomaßstab optimieren und die Kern/Schale-Struktur kombinieren, um das Lumineszenzlöschzentrum zu reduzieren und so die Übergangswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Etablieren Sie durch chemische Modifikation Technologien mit guter Biokompatibilität, um die Toxizität zu reduzieren, und entwickeln Sie bildgebende Verfahren für die Aufkonvertierung lumineszierender lebender Zellen und in vivo. Entwickeln Sie effiziente und sichere biologische Kopplungsmethoden basierend auf den Anforderungen verschiedener Anwendungen (Immunerkennungszellen, In-vivo-Fluoreszenzbildgebung, photodynamische Therapie, photothermische Therapie, Medikamente mit photokontrollierter Freisetzung usw.).

Diese Studie hat ein enormes Anwendungspotenzial und wirtschaftliche Vorteile und ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung für die Entwicklung der Nanomedizin, die Förderung der menschlichen Gesundheit und des sozialen Fortschritts.

Nr. 2 Nano-Magnetmaterialien aus seltenen Erden

 
Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien haben drei Entwicklungsstadien durchlaufen: SmCo5, Sm2Co7 und Nd2Fe14B. Da es sich um ein schnell abgeschrecktes NdFeB-Magnetpulver für gebundene Permanentmagnetmaterialien handelt, liegt die Korngröße im Bereich von 20 nm bis 50 nm, was es zu einem typischen nanokristallinen Seltenerd-Permanentmagnetmaterial macht.

Nanomagnetische Seltenerdmaterialien zeichnen sich durch geringe Größe, Einzeldomänenstruktur und hohe Koerzitivfeldstärke aus. Durch die Verwendung magnetischer Aufzeichnungsmaterialien können das Signal-Rausch-Verhältnis und die Bildqualität verbessert werden. Aufgrund seiner geringen Größe und hohen Zuverlässigkeit ist sein Einsatz in Mikromotorsystemen eine wichtige Richtung für die Entwicklung der neuen Generation von Luft-, Raumfahrt- und Schiffsmotoren. Bei magnetischen Speichern, magnetischen Flüssigkeiten und Giant Magneto Resistance-Materialien kann die Leistung erheblich verbessert werden, wodurch Geräte leistungsstark und miniaturisiert werden.

Nr.3Seltenerd-Nanokatalytische Materialien

An fast allen katalytischen Reaktionen sind Seltenerdkatalysatoren beteiligt. Aufgrund von Oberflächeneffekten, Volumeneffekten und Quantengrößeneffekten hat die Nanotechnologie seltener Erden zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Bei vielen chemischen Reaktionen werden Seltenerdkatalysatoren verwendet. Wenn Seltenerd-Nanokatalysatoren verwendet werden, werden die katalytische Aktivität und Effizienz erheblich verbessert.

Seltenerd-Nanokatalysatoren werden im Allgemeinen beim katalytischen Cracken von Erdöl und bei der Reinigungsbehandlung von Autoabgasen verwendet. Die am häufigsten verwendeten nanokatalytischen Seltenerdmaterialien sindCeO2UndLa2O3, die als Katalysatoren und Promotoren sowie als Katalysatorträger eingesetzt werden können.

Nr.4Nano-CeroxidUltraviolett-Abschirmmaterial

Nano-Ceroxid ist als UV-Isoliermittel der dritten Generation mit guter Isolationswirkung und hoher Durchlässigkeit bekannt. In Kosmetika muss Nano-Ceroxid mit geringer katalytischer Aktivität als UV-Isoliermittel verwendet werden. Daher sind die Marktaufmerksamkeit und die Anerkennung von Nano-Ceroxid-Ultraviolett-Abschirmmaterialien hoch. Die kontinuierliche Verbesserung der Integration integrierter Schaltkreise erfordert neue Materialien für die Herstellungsprozesse von integrierten Schaltkreischips. Neue Materialien stellen höhere Anforderungen an Polierflüssigkeiten, und Halbleiter-Seltenerd-Polierflüssigkeiten müssen diese Anforderung erfüllen, mit schnellerer Poliergeschwindigkeit und geringerem Poliervolumen. Nano-Seltenerd-Poliermaterialien haben einen breiten Markt.

Die deutliche Zunahme des Autobesitzes hat zu einer erheblichen Luftverschmutzung geführt, und der Einbau von Autoabgasreinigungskatalysatoren ist die wirksamste Möglichkeit, die Abgasverschmutzung zu kontrollieren. Nano-Cer-Zirkonium-Mischoxide spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Qualität der Abgasreinigung.

Nr.5 Andere nanofunktionale Materialien

01. Seltenerd-Nanokeramikmaterialien

Nano-Keramikpulver kann die Sintertemperatur erheblich senken, die 200 bis 300 °C niedriger ist als die von Nicht-Nano-Keramikpulver mit derselben Zusammensetzung. Die Zugabe von Nano-CeO2 zu Keramik kann die Sintertemperatur senken, das Gitterwachstum hemmen und die Dichte von Keramik verbessern. Durch das Hinzufügen von Seltenerdelementen wie zY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2kann eine Hochtemperatur-Phasenumwandlung und Versprödung von ZrO2 verhindern und ZrO2-Phasenumwandlungs-gehärtete keramische Strukturmaterialien erhalten.

Elektronische Keramik (elektronische Sensoren, PTC-Materialien, Mikrowellenmaterialien, Kondensatoren, Thermistoren usw.), hergestellt unter Verwendung von ultrafeinem oder nanoskaligem CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3usw. haben verbesserte elektrische, thermische und Stabilitätseigenschaften.

Durch die Zugabe von durch Seltene Erden aktivierten photokatalytischen Verbundmaterialien zur Glasurformel können antibakterielle Seltenerdkeramiken hergestellt werden.

02. Seltenerd-Nano-Dünnschichtmaterialien

 Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden die Leistungsanforderungen an Produkte immer strenger und erfordern ultrafeine, ultradünne, ultrahohe Dichte und ultrafüllende Produkte. Derzeit werden drei Hauptkategorien von Seltenerd-Nanofilmen entwickelt: Seltenerd-Komplex-Nanofilme, Seltenerdoxid-Nanofilme und Seltenerd-Nanolegierungsfilme. Nanofilme aus seltenen Erden spielen auch in der Informationsindustrie, Katalyse, Energie, Transport und Lebensmedizin eine wichtige Rolle.

Abschluss

China ist ein wichtiges Land für seltene Erden. Die Entwicklung und Anwendung von Seltenerd-Nanomaterialien ist eine neue Möglichkeit, Seltenerdressourcen effektiv zu nutzen. Um den Anwendungsbereich seltener Erden zu erweitern und die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien zu fördern, sollte ein neues theoretisches System in der Materialtheorie etabliert werden, um den Forschungsbedarf im Nanomaßstab zu decken, die Leistung von Nanomaterialien seltener Erden zu verbessern und die Entstehung zu erleichtern neuer Eigenschaften und Funktionen möglich.