Nanomateriali delle terre rare
Nanomateriali delle terre rare Gli elementi delle terre rare hanno una struttura elettronica del sottostrato 4f unica, un grande momento magnetico atomico, un forte accoppiamento orbita-spin e altre caratteristiche, che si traducono in proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e di altro tipo molto ricche. Sono materiali strategici indispensabili per i paesi di tutto il mondo per trasformare le industrie tradizionali e sviluppare l'alta tecnologia, e sono conosciuti come il "tesoro dei nuovi materiali".
Oltre alle sue applicazioni in campi tradizionali come macchinari metallurgici, petrolchimici, vetroceramica e tessuti leggeri,terre raresono anche materiali di supporto chiave in campi emergenti come l’energia pulita, i veicoli di grandi dimensioni, i veicoli a nuova energia, l’illuminazione a semiconduttori e i nuovi display, strettamente legati alla vita umana.
Dopo decenni di sviluppo, il focus della ricerca relativa alle terre rare si è spostato dalla fusione e separazione di singole terre rare ad elevata purezza alle applicazioni high-tech delle terre rare nel magnetismo, nell'ottica, nell'elettricità, nello stoccaggio dell'energia, nella catalisi, nella biomedicina, e altri campi. Da un lato nel sistema dei materiali si registra una tendenza maggiore verso i materiali compositi delle terre rare; D'altra parte, è più focalizzato su materiali cristallini funzionali a bassa dimensionalità in termini di morfologia. Soprattutto con lo sviluppo della moderna nanoscienza, che combina gli effetti di piccola dimensione, gli effetti quantistici, gli effetti di superficie e gli effetti di interfaccia dei nanomateriali con le caratteristiche uniche della struttura dello strato elettronico degli elementi delle terre rare, i nanomateriali delle terre rare mostrano molte nuove proprietà diverse dai materiali tradizionali, massimizzando le eccellenti prestazioni dei materiali delle terre rare ed espandere ulteriormente la sua applicazione nei campi dei materiali tradizionali e della nuova produzione high-tech.
Al momento, ci sono principalmente i seguenti nanomateriali di terre rare altamente promettenti, vale a dire materiali nano luminescenti di terre rare, materiali nano catalitici di terre rare, materiali nano magnetici di terre rare,nanoossido di ceriomateriali di schermatura ultravioletta e altri materiali nanofunzionali.
N.1Materiali nanoluminescenti delle terre rare
01. Nanomateriali luminescenti ibridi organici-inorganici delle terre rare
I materiali compositi combinano diverse unità funzionali a livello molecolare per ottenere funzioni complementari e ottimizzate. Il materiale ibrido inorganico organico ha le funzioni di componenti organici e inorganici, mostrando buona stabilità meccanica, flessibilità, stabilità termica ed eccellente lavorabilità.
Terra rarai complessi presentano molti vantaggi, come elevata purezza del colore, lunga durata dello stato eccitato, elevata resa quantica e ricche righe dello spettro di emissione. Sono ampiamente utilizzati in molti campi, come display, amplificazione di guide d'onda ottiche, laser a stato solido, biomarcatori e anticontraffazione. Tuttavia, la bassa stabilità fototermica e la scarsa lavorabilità dei complessi delle terre rare ne ostacolano seriamente l’applicazione e la promozione. La combinazione di complessi di terre rare con matrici inorganiche con buone proprietà meccaniche e stabilità è un modo efficace per migliorare le proprietà luminescenti dei complessi di terre rare.
Dallo sviluppo del materiale ibrido inorganico organico delle terre rare, le loro tendenze di sviluppo mostrano le seguenti caratteristiche:
① Il materiale ibrido ottenuto con il metodo del drogaggio chimico ha componenti attivi stabili, elevata quantità di drogante e distribuzione uniforme dei componenti;
② Trasformazione da materiali funzionali singoli a materiali multifunzionali, sviluppando materiali multifunzionali per rendere le loro applicazioni più estese;
③ La matrice è diversificata, spaziando principalmente dalla silice a vari substrati come biossido di titanio, polimeri organici, argille e liquidi ionici.
02. Materiale luminescente a terre rare a LED bianco
Rispetto alle tecnologie di illuminazione esistenti, i prodotti di illuminazione a semiconduttori come i diodi emettitori di luce (LED) presentano vantaggi come lunga durata, basso consumo energetico, elevata efficienza luminosa, assenza di mercurio, assenza di raggi UV e funzionamento stabile. Sono considerate la "sorgente luminosa di quarta generazione" dopo le lampade a incandescenza, le lampade fluorescenti e le lampade a scarica di gas ad alta resistenza (HID).
Il LED bianco è composto da chip, substrati, fosfori e driver. La polvere fluorescente delle terre rare svolge un ruolo cruciale nelle prestazioni dei LED bianchi. Negli ultimi anni è stato svolto un grande lavoro di ricerca sui fosfori bianchi dei LED e sono stati fatti ottimi progressi:
① Lo sviluppo di un nuovo tipo di fosforo eccitato dal LED blu (460m) ha effettuato ricerche sul drogaggio e sulla modifica di YAO2Ce (YAG: Ce) utilizzato nei chip LED blu per migliorare l'efficienza luminosa e la resa cromatica;
② Lo sviluppo di nuove polveri fluorescenti eccitate dalla luce ultravioletta (400 m) o dalla luce ultravioletta (360 mm) ha studiato sistematicamente la composizione, la struttura e le caratteristiche spettrali delle polveri fluorescenti rosse e verde blu, nonché i diversi rapporti delle tre polveri fluorescenti ottenere LED bianchi con diverse temperature di colore;
③ È stato svolto ulteriore lavoro sulle questioni scientifiche di base nel processo di preparazione della polvere fluorescente, come l'influenza del processo di preparazione sul flusso, per garantire la qualità e la stabilità della polvere fluorescente.
Inoltre, i LED a luce bianca adottano principalmente un processo di confezionamento misto di polvere fluorescente e silicone. A causa della scarsa conduttività termica della polvere fluorescente, il dispositivo si surriscalda a causa del tempo di funzionamento prolungato, con conseguente invecchiamento del silicone e riduzione della durata del dispositivo. Questo problema è particolarmente grave nei LED a luce bianca ad alta potenza. Il confezionamento remoto è un modo per risolvere questo problema attaccando la polvere fluorescente al substrato e separandola dalla sorgente luminosa LED blu, riducendo così l'impatto del calore generato dal chip sulle prestazioni luminescenti della polvere fluorescente. Se le ceramiche fluorescenti delle terre rare hanno le caratteristiche di elevata conduttività termica, elevata resistenza alla corrosione, elevata stabilità ed eccellenti prestazioni di uscita ottica, possono soddisfare meglio i requisiti applicativi del LED bianco ad alta potenza con elevata densità di energia. Le micro nanopolveri con elevata attività di sinterizzazione e alta dispersione sono diventate un prerequisito importante per la preparazione di ceramiche funzionali ottiche di terre rare ad alta trasparenza con elevate prestazioni di uscita ottica.
03.Nanomateriali luminescenti per upconversion delle terre rare
La luminescenza di upconversion è un tipo speciale di processo di luminescenza caratterizzato dall'assorbimento di più fotoni a bassa energia da parte di materiali luminescenti e dalla generazione di emissione di fotoni ad alta energia. Rispetto alle tradizionali molecole di colorante organico o ai punti quantici, i nanomateriali luminescenti per upconversion delle terre rare presentano molti vantaggi come ampio spostamento anti Stokes, banda di emissione stretta, buona stabilità, bassa tossicità, elevata profondità di penetrazione nei tessuti e bassa interferenza di fluorescenza spontanea. Hanno ampie prospettive di applicazione in campo biomedico.
Negli ultimi anni, i nanomateriali luminescenti per upconversion delle terre rare hanno compiuto progressi significativi nella sintesi, nella modificazione della superficie, nella funzionalizzazione della superficie e nelle applicazioni biomediche. Le persone migliorano le prestazioni di luminescenza dei materiali ottimizzandone la composizione, lo stato di fase, le dimensioni, ecc. su scala nanometrica e combinando la struttura nucleo/guscio per ridurre il centro di spegnimento della luminescenza, al fine di aumentare la probabilità di transizione. Mediante modificazione chimica, stabilire tecnologie con buona biocompatibilità per ridurre la tossicità e sviluppare metodi di imaging per l'upconversion di cellule viventi luminescenti e in vivo; Sviluppare metodi di accoppiamento biologico efficienti e sicuri basati sulle esigenze di diverse applicazioni (cellule di rilevamento immunitario, imaging a fluorescenza in vivo, terapia fotodinamica, terapia fototermica, farmaci a rilascio fotocontrollato, ecc.).
Questo studio ha un enorme potenziale applicativo e vantaggi economici e ha un importante significato scientifico per lo sviluppo della nanomedicina, la promozione della salute umana e il progresso sociale.
N.2 Materiali nanomagnetici delle terre rare
I materiali a magneti permanenti delle terre rare hanno attraversato tre fasi di sviluppo: SmCo5, Sm2Co7 e Nd2Fe14B. Essendo una polvere magnetica NdFeB a estinzione rapida per materiali magnetici permanenti legati, la dimensione dei grani varia da 20 nm a 50 nm, rendendola un tipico materiale magnetico permanente nanocristallino di terre rare.
I materiali nanomagnetici delle terre rare hanno le caratteristiche di dimensioni ridotte, struttura a dominio singolo e elevata coercività. L'uso di materiali di registrazione magnetica può migliorare il rapporto segnale-rumore e la qualità dell'immagine. Grazie alle sue dimensioni ridotte e all'elevata affidabilità, il suo utilizzo nei sistemi di micromotori rappresenta una direzione importante per lo sviluppo della nuova generazione di motori aeronautici, aerospaziali e marini. Per la memoria magnetica, il fluido magnetico e i materiali Giant Magneto Resistance, le prestazioni possono essere notevolmente migliorate, rendendo i dispositivi miniaturizzati e ad alte prestazioni.
N.3Nano di terre raremateriali catalitici
I materiali catalitici delle terre rare coinvolgono quasi tutte le reazioni catalitiche. A causa degli effetti di superficie, degli effetti di volume e degli effetti delle dimensioni quantistiche, la nanotecnologia delle terre rare ha attirato sempre più l’attenzione. In molte reazioni chimiche vengono utilizzati catalizzatori di terre rare. Se si utilizzano nanocatalizzatori di terre rare, l'attività catalitica e l'efficienza saranno notevolmente migliorate.
I nanocatalizzatori di terre rare sono generalmente utilizzati nel cracking catalitico del petrolio e nel trattamento di purificazione degli scarichi automobilistici. I materiali nanocatalitici delle terre rare più comunemente usati sonoCeO2ELa2O3, che possono essere utilizzati come catalizzatori e promotori, nonché come trasportatori di catalizzatori.
N.4Nanoossido di ceriomateriale di schermatura ultravioletta
Il nano ossido di cerio è noto come agente di isolamento ultravioletto di terza generazione, con un buon effetto isolante e un'elevata trasmittanza. Nei cosmetici, la nanoceria a bassa attività catalitica deve essere utilizzata come agente isolante UV. Pertanto, l'attenzione del mercato e il riconoscimento dei materiali di schermatura ultravioletta di nano ossido di cerio sono elevati. Il miglioramento continuo dell'integrazione dei circuiti integrati richiede nuovi materiali per i processi di produzione dei chip dei circuiti integrati. I nuovi materiali hanno requisiti più elevati per i fluidi lucidanti e i fluidi lucidanti per terre rare per semiconduttori devono soddisfare questo requisito, con una velocità di lucidatura più elevata e un volume di lucidatura inferiore. I materiali lucidanti nano-terre rare hanno un ampio mercato.
Il significativo aumento del numero di automobili possedute ha causato un grave inquinamento atmosferico e l’installazione di catalizzatori per la purificazione dei gas di scarico delle auto è il modo più efficace per controllare l’inquinamento dei gas di scarico. Gli ossidi compositi di nanocerio e zirconio svolgono un ruolo importante nel migliorare la qualità della purificazione del gas di coda.
No.5 Altri materiali nanofunzionali
01. Materiali nanoceramici di terre rare
La polvere nanoceramica può ridurre significativamente la temperatura di sinterizzazione, che è inferiore di 200 ℃~300 ℃ rispetto a quella della polvere non nanoceramica con la stessa composizione. L'aggiunta di nano CeO2 alla ceramica può ridurre la temperatura di sinterizzazione, inibire la crescita del reticolo e migliorare la densità della ceramica. Aggiunta di elementi di terre rare comeY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2può prevenire la trasformazione di fase ad alta temperatura e l'infragilimento di ZrO2 e ottenere materiali strutturali ceramici induriti per la trasformazione di fase ZrO2.
Ceramiche elettroniche (sensori elettronici, materiali PTC, materiali a microonde, condensatori, termistori, ecc.) preparate utilizzando CeO2, Y2O3, ultrafine o nanoscala,Nd2O3, Sm2O3, ecc. hanno proprietà elettriche, termiche e di stabilità migliorate.
L'aggiunta di materiali compositi fotocatalitici attivati da terre rare alla formula dello smalto può preparare ceramiche antibatteriche con terre rare.
02. Materiali a film sottile nano di terre rare
Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, i requisiti prestazionali per i prodotti stanno diventando sempre più rigorosi, richiedendo prodotti ultrafini, ultrasottili, ad altissima densità e ultra-riempitivi. Attualmente, sono state sviluppate tre categorie principali di nanofilm di terre rare: nanofilm di complessi di terre rare, nanofilm di ossidi di terre rare e film di nanoleghe di terre rare. I nanofilm delle terre rare svolgono anche un ruolo importante nel settore dell'informazione, della catalisi, dell'energia, dei trasporti e della medicina della vita.
Conclusione
La Cina è un paese importante per quanto riguarda le risorse delle terre rare. Lo sviluppo e l'applicazione dei nanomateriali delle terre rare rappresenta un nuovo modo di utilizzare in modo efficace le risorse delle terre rare. Al fine di espandere l'ambito di applicazione delle terre rare e promuovere lo sviluppo di nuovi materiali funzionali, dovrebbe essere stabilito un nuovo sistema teorico nella teoria dei materiali per soddisfare le esigenze di ricerca su scala nanometrica, fare in modo che i nanomateriali delle terre rare abbiano prestazioni migliori e far emergere di nuove proprietà e funzioni possibili.
Orario di pubblicazione: 29 maggio 2023