Νανοϋλικά σπάνιων γαιών Τα στοιχεία σπανίων γαιών έχουν μοναδική ηλεκτρονική δομή υποστρώματος 4f, μεγάλη ατομική μαγνητική ροπή, ισχυρή σύζευξη τροχιάς σπιν και άλλα χαρακτηριστικά, με αποτέλεσμα πολύ πλούσιες οπτικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές και άλλες ιδιότητες. Αποτελούν απαραίτητα στρατηγικά υλικά για χώρες σε όλο τον κόσμο για να μεταμορφώσουν τις παραδοσιακές βιομηχανίες και να αναπτύξουν την υψηλή τεχνολογία, και είναι γνωστά ως «ο οίκος θησαυρού των νέων υλικών».
Εκτός από τις εφαρμογές του σε παραδοσιακούς τομείς όπως τα μεταλλουργικά μηχανήματα, τα πετροχημικά, τα υαλοκεραμικά και τα ελαφρά υφάσματα,σπάνιες γαίεςείναι επίσης βασικά υποστηρικτικά υλικά σε αναδυόμενους τομείς όπως η καθαρή ενέργεια, τα μεγάλα οχήματα, τα οχήματα νέας ενέργειας, ο φωτισμός ημιαγωγών και οι νέες οθόνες, στενά συνδεδεμένες με την ανθρώπινη ζωή.
Μετά από δεκαετίες ανάπτυξης, το επίκεντρο της έρευνας σχετικά με τις σπάνιες γαίες έχει μετατοπιστεί αντίστοιχα από την τήξη και τον διαχωρισμό μεμονωμένων σπάνιων γαιών υψηλής καθαρότητας στις εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας σπάνιων γαιών στον μαγνητισμό, την οπτική, την ηλεκτρική ενέργεια, την αποθήκευση ενέργειας, την κατάλυση, τη βιοϊατρική. και άλλα πεδία. Από τη μία πλευρά, υπάρχει μεγαλύτερη τάση προς τα σύνθετα υλικά σπάνιων γαιών στο σύστημα υλικών. Από την άλλη πλευρά, επικεντρώνεται περισσότερο σε χαμηλών διαστάσεων λειτουργικά κρυσταλλικά υλικά όσον αφορά τη μορφολογία. Ειδικά με την ανάπτυξη της σύγχρονης νανοεπιστήμης, που συνδυάζει τα μικρού μεγέθους εφέ, τα κβαντικά εφέ, τα επιφανειακά εφέ και τα αποτελέσματα διεπαφής των νανοϋλικών με τα μοναδικά χαρακτηριστικά ηλεκτρονικής δομής στρώματος των στοιχείων σπάνιων γαιών, τα νανοϋλικά σπάνιων γαιών παρουσιάζουν πολλές νέες ιδιότητες διαφορετικές από τα παραδοσιακά υλικά, μεγιστοποιώντας την εξαιρετική απόδοση των υλικών σπάνιων γαιών, και να επεκτείνει περαιτέρω την εφαρμογή του στους τομείς των παραδοσιακών υλικών και της νέας κατασκευής υψηλής τεχνολογίας.
Προς το παρόν, υπάρχουν κυρίως τα ακόλουθα πολλά υποσχόμενα νανοϋλικά σπάνιων γαιών, συγκεκριμένα νανοφωταύγεια υλικά σπάνιων γαιών, νανοκαταλυτικά υλικά σπάνιων γαιών, νανομαγνητικά υλικά σπάνιων γαιών,νανοξείδιο του δημητρίουυπεριώδη υλικά θωράκισης και άλλα νανο-λειτουργικά υλικά.
Νο.1Νανοφωταύγεια υλικά σπανίων γαιών
01. Οργανικά-ανόργανα υβριδικά φωταύγεια νανοϋλικά σπανίων γαιών
Τα σύνθετα υλικά συνδυάζουν διαφορετικές λειτουργικές μονάδες σε μοριακό επίπεδο για να επιτύχουν συμπληρωματικές και βελτιστοποιημένες λειτουργίες. Το οργανικό ανόργανο υβριδικό υλικό έχει τις λειτουργίες οργανικών και ανόργανων συστατικών, παρουσιάζοντας καλή μηχανική σταθερότητα, ευελιξία, θερμική σταθερότητα και εξαιρετική ικανότητα επεξεργασίας.
Σπάνια γηΤα σύμπλοκα έχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή καθαρότητα χρώματος, μεγάλη διάρκεια ζωής διεγερμένης κατάστασης, υψηλή κβαντική απόδοση και πλούσιες γραμμές φάσματος εκπομπής. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς, όπως η απεικόνιση, η ενίσχυση οπτικού κυματοδηγού, τα λέιζερ στερεάς κατάστασης, οι βιοδείκτες και η καταπολέμηση της παραχάραξης. Ωστόσο, η χαμηλή φωτοθερμική σταθερότητα και η κακή δυνατότητα επεξεργασίας των συμπλεγμάτων σπάνιων γαιών εμποδίζουν σοβαρά την εφαρμογή και την προώθησή τους. Ο συνδυασμός συμπλεγμάτων σπάνιων γαιών με ανόργανες μήτρες με καλές μηχανικές ιδιότητες και σταθερότητα είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος βελτίωσης των ιδιοτήτων φωταύγειας συμπλεγμάτων σπάνιων γαιών.
Από την ανάπτυξη του οργανικού ανόργανου υβριδικού υλικού σπάνιων γαιών, οι τάσεις ανάπτυξής τους παρουσιάζουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
① Το υβριδικό υλικό που λαμβάνεται με χημική μέθοδο ντόπινγκ έχει σταθερά ενεργά συστατικά, υψηλή ποσότητα ντόπινγκ και ομοιόμορφη κατανομή των συστατικών.
② Μετατροπή από μεμονωμένα λειτουργικά υλικά σε πολυλειτουργικά υλικά, ανάπτυξη πολυλειτουργικών υλικών για να γίνουν πιο εκτεταμένες οι εφαρμογές τους.
③ Η μήτρα είναι διαφορετική, από κυρίως πυρίτιο έως διάφορα υποστρώματα όπως διοξείδιο του τιτανίου, οργανικά πολυμερή, άργιλοι και ιοντικά υγρά.
02. Λευκό LED φωταυγές υλικό σπάνιων γαιών
Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες φωτισμού, τα προϊόντα φωτισμού ημιαγωγών όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) έχουν πλεονεκτήματα όπως μεγάλη διάρκεια ζωής, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, υψηλή φωτεινή απόδοση, χωρίς υδράργυρο, χωρίς υπεριώδη ακτινοβολία και σταθερή λειτουργία. Θεωρούνται η «φωτιστική πηγή τέταρτης γενιάς» μετά τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, τους λαμπτήρες φθορισμού και τους λαμπτήρες εκκένωσης αερίου υψηλής αντοχής (HID).
Το λευκό LED αποτελείται από τσιπ, υποστρώματα, φωσφόρους και οδηγούς. Η φθορίζουσα σκόνη σπανίων γαιών παίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση των λευκών LED. Τα τελευταία χρόνια, έχει πραγματοποιηθεί μεγάλος όγκος ερευνητικής εργασίας σε λευκούς φωσφόρους LED και έχει σημειωθεί εξαιρετική πρόοδος:
① Η ανάπτυξη ενός νέου τύπου φωσφόρου που διεγείρεται από μπλε LED (460m) διεξήγαγε έρευνα για ντόπινγκ και τροποποίηση του YAO2Ce (YAG: Ce) που χρησιμοποιείται σε τσιπ μπλε LED για τη βελτίωση της απόδοσης φωτός και της απόδοσης χρωμάτων.
② Η ανάπτυξη νέων φθοριζουσών σκονών που διεγείρονται από το υπεριώδες φως (400 m) ή το υπεριώδες φως (360 mm) έχει μελετήσει συστηματικά τη σύνθεση, τη δομή και τα φασματικά χαρακτηριστικά των κόκκινων και πράσινων μπλε φθοριζουσών σκονών, καθώς και τις διαφορετικές αναλογίες των τριών φθοριζουσών σκονών για να αποκτήσετε λευκό LED με διαφορετικές θερμοκρασίες χρώματος.
③ Περαιτέρω εργασία έχει διεξαχθεί στα βασικά επιστημονικά ζητήματα στη διαδικασία παρασκευής της φθορίζουσας σκόνης, όπως η επίδραση της διαδικασίας παρασκευής στη ροή, για να εξασφαλιστεί η ποιότητα και η σταθερότητα της φθορίζουσας σκόνης.
Επιπλέον, το λευκό φως LED υιοθετεί κυρίως μια μικτή διαδικασία συσκευασίας φθορίζουσας σκόνης και σιλικόνης. Λόγω της κακής θερμικής αγωγιμότητας της φθορίζουσας σκόνης, η συσκευή θα θερμανθεί λόγω παρατεταμένου χρόνου εργασίας, με αποτέλεσμα τη γήρανση της σιλικόνης και τη μείωση της διάρκειας ζωής της συσκευής. Αυτό το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα σοβαρό στα LED υψηλής ισχύος λευκού φωτός. Η απομακρυσμένη συσκευασία είναι ένας τρόπος για να λυθεί αυτό το πρόβλημα με την προσάρτηση φθορίζουσας σκόνης στο υπόστρωμα και τον διαχωρισμό της από την μπλε πηγή φωτός LED, μειώνοντας έτσι την επίδραση της θερμότητας που παράγεται από το τσιπ στην απόδοση φωταύγειας της φθορίζουσας σκόνης. Εάν τα κεραμικά φθορισμού σπάνιων γαιών έχουν τα χαρακτηριστικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, υψηλής αντοχής στη διάβρωση, υψηλής σταθερότητας και εξαιρετικής απόδοσης οπτικής εξόδου, μπορούν να ικανοποιήσουν καλύτερα τις απαιτήσεις εφαρμογής λευκών LED υψηλής ισχύος με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Οι μικρο-νανοσκόνες με υψηλή δραστηριότητα πυροσυσσωμάτωσης και υψηλή διασπορά έχουν γίνει σημαντική προϋπόθεση για την παρασκευή λειτουργικών κεραμικών οπτικών σπάνιων γαιών υψηλής διαφάνειας με υψηλή απόδοση οπτικής εξόδου.
03.Φωταύγεια νανοϋλικά αναμετατροπής σπάνιων γαιών
Η φωταύγεια upconversion είναι ένας ειδικός τύπος διαδικασίας φωταύγειας που χαρακτηρίζεται από την απορρόφηση πολλαπλών φωτονίων χαμηλής ενέργειας από φωταύγεια υλικά και τη δημιουργία εκπομπής φωτονίων υψηλής ενέργειας. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μόρια οργανικής βαφής ή τις κβαντικές κουκκίδες, τα φωταύγεια νανοϋλικά αναμετατροπής σπάνιων γαιών έχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως μεγάλη μετατόπιση κατά Stokes, στενή ζώνη εκπομπής, καλή σταθερότητα, χαμηλή τοξικότητα, υψηλό βάθος διείσδυσης στον ιστό και χαμηλή αυθόρμητη παρεμβολή φθορισμού. Έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής στον βιοϊατρικό τομέα.
Τα τελευταία χρόνια, τα φωταύγεια νανοϋλικά αναμετατροπής σπάνιων γαιών έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στη σύνθεση, την τροποποίηση της επιφάνειας, τη λειτουργικότητα της επιφάνειας και τις βιοϊατρικές εφαρμογές. Οι άνθρωποι βελτιώνουν την απόδοση φωταύγειας των υλικών βελτιστοποιώντας τη σύνθεση, την κατάσταση φάσης, το μέγεθος κ.λπ. σε νανοκλίμακα και συνδυάζοντας τη δομή πυρήνα/κελύφους για να μειώσουν το κέντρο σβέσης της φωταύγειας, προκειμένου να αυξηθεί η πιθανότητα μετάβασης. Με χημική τροποποίηση, καθιερώστε τεχνολογίες με καλή βιοσυμβατότητα για τη μείωση της τοξικότητας και ανάπτυξη μεθόδων απεικόνισης για μετατροπή φωταυγών ζωντανών κυττάρων και in vivo. Ανάπτυξη αποτελεσματικών και ασφαλών μεθόδων βιολογικής σύζευξης με βάση τις ανάγκες διαφορετικών εφαρμογών (κύτταρα ανίχνευσης ανοσοποιητικού, απεικόνιση φθορισμού in vivo, φωτοδυναμική θεραπεία, φωτοθερμική θεραπεία, φάρμακα ελεγχόμενης απελευθέρωσης με φωτογραφία κ.λπ.).
Αυτή η μελέτη έχει τεράστιες δυνατότητες εφαρμογής και οικονομικά οφέλη και έχει σημαντική επιστημονική σημασία για την ανάπτυξη της νανοϊατρικής, την προαγωγή της ανθρώπινης υγείας και την κοινωνική πρόοδο.
Νο. 2 Νανομαγνητικά υλικά σπάνιων γαιών
Τα υλικά μόνιμου μαγνήτη σπανίων γαιών έχουν περάσει από τρία στάδια ανάπτυξης: SmCo5, Sm2Co7 και Nd2Fe14B. Ως γρήγορα σβησμένη μαγνητική σκόνη NdFeB για συνδεδεμένα υλικά μόνιμου μαγνήτη, το μέγεθος κόκκου κυμαίνεται από 20nm έως 50nm, καθιστώντας το ένα τυπικό υλικό μόνιμου μαγνήτη νανοκρυσταλλικών σπάνιων γαιών.
Τα νανομαγνητικά υλικά σπανίων γαιών έχουν τα χαρακτηριστικά του μικρού μεγέθους, της δομής ενός τομέα και της υψηλής καταναγκαστικής ικανότητας. Η χρήση μαγνητικών υλικών εγγραφής μπορεί να βελτιώσει την αναλογία σήματος προς θόρυβο και την ποιότητα της εικόνας. Λόγω του μικρού μεγέθους και της υψηλής αξιοπιστίας του, η χρήση του σε συστήματα μικροκινητήρων είναι μια σημαντική κατεύθυνση για την ανάπτυξη της νέας γενιάς κινητήρων της αεροπορίας, της αεροδιαστημικής και της θάλασσας. Για τη μαγνητική μνήμη, το μαγνητικό υγρό, τα υλικά Giant Magneto Resistance, η απόδοση μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά, κάνοντας τις συσκευές να γίνονται υψηλής απόδοσης και να μικραίνουν.
Νο.3Νανο σπανίων γαιώνκαταλυτικά υλικά
Τα καταλυτικά υλικά σπανίων γαιών περιλαμβάνουν σχεδόν όλες τις καταλυτικές αντιδράσεις. Λόγω των επιφανειακών επιδράσεων, των εφέ όγκου και των επιδράσεων κβαντικού μεγέθους, η νανοτεχνολογία σπάνιων γαιών προσελκύει όλο και περισσότερο την προσοχή. Σε πολλές χημικές αντιδράσεις, χρησιμοποιούνται καταλύτες σπάνιων γαιών. Εάν χρησιμοποιηθούν νανοκαταλύτες σπανίων γαιών, η καταλυτική δραστηριότητα και η αποτελεσματικότητα θα βελτιωθούν σημαντικά.
Οι νανοκαταλύτες σπάνιων γαιών χρησιμοποιούνται γενικά στην επεξεργασία καταλυτικής πυρόλυσης και καθαρισμού πετρελαίου των καυσαερίων αυτοκινήτων. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα νανοκαταλυτικά υλικά σπάνιων γαιών είναιCeO2καιLa2O3, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες και προαγωγείς, καθώς και ως φορείς καταλύτη.
Νο.4Νανοξείδιο δημητρίουυπεριώδες υλικό θωράκισης
Το νανοξείδιο του δημητρίου είναι γνωστό ως ο υπεριώδης παράγοντας απομόνωσης τρίτης γενιάς, με καλή επίδραση απομόνωσης και υψηλή διαπερατότητα. Στα καλλυντικά, η νανοδημητρία χαμηλής καταλυτικής δράσης πρέπει να χρησιμοποιείται ως απομονωτικός παράγοντας UV. Ως εκ τούτου, η προσοχή της αγοράς και η αναγνώριση των υλικών προστασίας υπεριώδους νανοξειδίου του δημητρίου είναι υψηλή. Η συνεχής βελτίωση της ολοκλήρωσης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων απαιτεί νέα υλικά για τις διαδικασίες κατασκευής τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τα νέα υλικά έχουν υψηλότερες απαιτήσεις για υγρά στίλβωσης και τα υγρά στίλβωσης σπάνιων γαιών ημιαγωγών πρέπει να πληρούν αυτήν την απαίτηση, με μεγαλύτερη ταχύτητα στίλβωσης και μικρότερο όγκο στίλβωσης. Τα υλικά γυαλίσματος νανο σπάνιων γαιών έχουν ευρεία αγορά.
Η σημαντική αύξηση της ιδιοκτησίας αυτοκινήτων έχει προκαλέσει σοβαρή ατμοσφαιρική ρύπανση και η εγκατάσταση καταλυτών καθαρισμού καυσαερίων αυτοκινήτων είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τον έλεγχο της ρύπανσης των καυσαερίων. Τα σύνθετα οξείδια νανοδημητρίου ζιρκονίου διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη βελτίωση της ποιότητας του καθαρισμού των αερίων ουράς.
No.5 Άλλα νανολειτουργικά υλικά
01. Νανοκεραμικά υλικά σπανίων γαιών
Η νανοκεραμική σκόνη μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, η οποία είναι 200 ℃~300 ℃ χαμηλότερη από αυτή της μη νανοκεραμικής σκόνης με την ίδια σύνθεση. Η προσθήκη νανο CeO2 στα κεραμικά μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, να αναστείλει την ανάπτυξη του πλέγματος και να βελτιώσει την πυκνότητα των κεραμικών. Προσθέτοντας στοιχεία σπάνιων γαιών όπωςY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2μπορεί να αποτρέψει τον μετασχηματισμό φάσης σε υψηλή θερμοκρασία και την ευθραυστότητα του ZrO2 και να αποκτήσει σκληρυμένα κεραμικά δομικά υλικά με μετασχηματισμό φάσης ZrO2.
Ηλεκτρονικά κεραμικά (ηλεκτρονικοί αισθητήρες, υλικά PTC, υλικά μικροκυμάτων, πυκνωτές, θερμίστορ κ.λπ.) που παρασκευάζονται με χρήση εξαιρετικά λεπτής ή νανοκλίμακας CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3κ.λπ. έχουν βελτιωμένες ηλεκτρικές, θερμικές ιδιότητες και ιδιότητες σταθερότητας.
Η προσθήκη φωτοκαταλυτικών σύνθετων υλικών που ενεργοποιούνται από σπάνιες γαίες στη φόρμουλα του λούστρου μπορεί να παρασκευάσει αντιβακτηριακά κεραμικά σπάνιων γαιών.
02. Υλικά λεπτής μεμβράνης νανο σπανίων γαιών
Με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, οι απαιτήσεις απόδοσης για τα προϊόντα γίνονται όλο και πιο αυστηρές, απαιτώντας εξαιρετικά λεπτά, εξαιρετικά λεπτά, εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα και εξαιρετικά γέμισμα προϊόντων. Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες νανομεμβρανών σπάνιων γαιών που έχουν αναπτυχθεί: νανομεμβράνες σύνθετων σπάνιων γαιών, νανομεμβράνες οξειδίων σπάνιων γαιών και μεμβράνες νανοκράματος σπάνιων γαιών. Οι νανοφιλμ σπανίων γαιών παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη βιομηχανία πληροφοριών, την κατάλυση, την ενέργεια, τις μεταφορές και την ιατρική της ζωής.
Σύναψη
Η Κίνα είναι μια σημαντική χώρα σε πόρους σπάνιων γαιών. Η ανάπτυξη και η εφαρμογή νανοϋλικών σπάνιων γαιών είναι ένας νέος τρόπος για την αποτελεσματική χρήση των πόρων σπάνιων γαιών. Προκειμένου να επεκταθεί το πεδίο εφαρμογής των σπάνιων γαιών και να προωθηθεί η ανάπτυξη νέων λειτουργικών υλικών, θα πρέπει να δημιουργηθεί ένα νέο θεωρητικό σύστημα στη θεωρία υλικών για να καλύψει τις ερευνητικές ανάγκες σε νανοκλίμακα, να κάνει τα νανοϋλικά σπάνιων γαιών να έχουν καλύτερη απόδοση και να κάνουν την εμφάνιση πιθανές νέες ιδιότητες και λειτουργίες.
Ώρα δημοσίευσης: 29 Μαΐου 2023