Zeldzame aarde nanomaterialen Zeldzame aarde-elementen hebben een unieke elektronische structuur in de 4f-sublaag, een groot atoommagnetisch moment, een sterke spin-baankoppeling en andere kenmerken, wat resulteert in zeer rijke optische, elektrische, magnetische en andere eigenschappen. Het zijn onmisbare strategische materialen voor landen over de hele wereld om traditionele industrieën te transformeren en hightech te ontwikkelen, en staan bekend als de "schatkamer van nieuwe materialen".
Naast de toepassingen op traditionele gebieden zoals metallurgische machines, petrochemie, glaskeramiek en licht textiel,zeldzame aardmetalenzijn ook belangrijke ondersteunende materialen op opkomende gebieden zoals schone energie, grote voertuigen, nieuwe energievoertuigen, halfgeleiderverlichting en nieuwe beeldschermen, die nauw verband houden met het menselijk leven.
Na tientallen jaren van ontwikkeling is de focus van het onderzoek naar zeldzame aardmetalen dienovereenkomstig verschoven van het smelten en scheiden van afzonderlijke zeldzame aardmetalen met een hoge zuiverheidsgraad naar de hoogtechnologische toepassingen van zeldzame aardmetalen in magnetisme, optica, elektriciteit, energieopslag, katalyse, biogeneeskunde, enz. en andere velden. Aan de ene kant is er een grotere trend naar zeldzame aardcomposietmaterialen in het materiaalsysteem; Aan de andere kant is het meer gericht op laagdimensionale functionele kristalmaterialen in termen van morfologie. Vooral met de ontwikkeling van de moderne nanowetenschap, waarbij de effecten van kleine afmetingen, kwantumeffecten, oppervlakte-effecten en grensvlakeffecten van nanomaterialen worden gecombineerd met de unieke elektronische laagstructuurkenmerken van zeldzame aardelementen, vertonen zeldzame aarden nanomaterialen veel nieuwe eigenschappen die verschillen van traditionele materialen, waardoor ze worden gemaximaliseerd de uitstekende prestaties van zeldzame aardmetalen, en de toepassing ervan verder uitbreiden op het gebied van traditionele materialen en nieuwe hightech productie.
Momenteel zijn er voornamelijk de volgende veelbelovende zeldzame aarden nanomaterialen, namelijk zeldzame aarden nano-luminescerende materialen, zeldzame aarden nano-katalytische materialen, zeldzame aarden nano-magnetische materialen,nano-ceriumoxidematerialen voor ultraviolette afscherming en andere nano-functionele materialen.
Nr.1Zeldzame aarde nano-lichtgevende materialen
01. Zeldzame aardmetalen organisch-anorganische hybride lichtgevende nanomaterialen
Composietmaterialen combineren verschillende functionele eenheden op moleculair niveau om complementaire en geoptimaliseerde functies te bereiken. Organisch anorganisch hybride materiaal heeft de functies van organische en anorganische componenten en vertoont een goede mechanische stabiliteit, flexibiliteit, thermische stabiliteit en uitstekende verwerkbaarheid.
Zeldzame aardecomplexen hebben veel voordelen, zoals hoge kleurzuiverheid, lange levensduur van de aangeslagen toestand, hoge kwantumopbrengst en rijke emissiespectrumlijnen. Ze worden op grote schaal gebruikt op veel gebieden, zoals weergave, optische golfgeleiderversterking, vastestoflasers, biomarker en anti-namaak. De lage fotothermische stabiliteit en slechte verwerkbaarheid van zeldzame aardcomplexen belemmeren echter de toepassing en promotie ervan ernstig. Het combineren van zeldzame aardcomplexen met anorganische matrices met goede mechanische eigenschappen en stabiliteit is een effectieve manier om de luminescerende eigenschappen van zeldzame aardcomplexen te verbeteren.
Sinds de ontwikkeling van zeldzaam organisch anorganisch hybride materiaal vertonen hun ontwikkelingstrends de volgende kenmerken:
① Het hybride materiaal verkregen door chemische dopingmethode heeft stabiele actieve componenten, een hoge doteringshoeveelheid en een uniforme verdeling van componenten;
② Transformeren van enkelvoudige functionele materialen naar multifunctionele materialen, het ontwikkelen van multifunctionele materialen om hun toepassingen uitgebreider te maken;
③ De matrix is divers, van voornamelijk silica tot verschillende substraten zoals titaniumdioxide, organische polymeren, kleisoorten en ionische vloeistoffen.
02. Wit LED-lichtgevend materiaal met zeldzame aardmetalen
Vergeleken met bestaande verlichtingstechnologieën hebben halfgeleiderverlichtingsproducten zoals light-emitting diodes (LED's) voordelen zoals een lange levensduur, laag energieverbruik, hoge lichtefficiëntie, kwikvrij, UV-vrij en stabiele werking. Ze worden beschouwd als de "lichtbron van de vierde generatie", na gloeilampen, fluorescentielampen en zeer sterke gasontladingslampen (HID's).
Witte LED is samengesteld uit chips, substraten, fosforen en drivers. Zeldzame aarde fluorescerend poeder speelt een cruciale rol in de prestaties van witte LED. De afgelopen jaren is er veel onderzoek gedaan naar witte LED-fosforen en is er uitstekende vooruitgang geboekt:
① Bij de ontwikkeling van een nieuw type fosfor geëxciteerd door blauwe LED (460 m) is doping- en modificatieonderzoek uitgevoerd op YAO2Ce (YAG: Ce) dat wordt gebruikt in blauwe LED-chips om de lichtefficiëntie en kleurweergave te verbeteren;
② De ontwikkeling van nieuwe fluorescerende poeders die worden opgewekt door ultraviolet licht (400 m) of ultraviolet licht (360 mm) heeft systematisch de samenstelling, structuur en spectrale kenmerken van rode en groenblauwe fluorescerende poeders bestudeerd, evenals de verschillende verhoudingen van de drie fluorescerende poeders om witte LED's met verschillende kleurtemperaturen te verkrijgen;
③ Er is verder onderzoek gedaan naar de fundamentele wetenschappelijke kwesties in het bereidingsproces van fluorescerend poeder, zoals de invloed van het bereidingsproces op de flux, om de kwaliteit en stabiliteit van het fluorescerend poeder te garanderen.
Bovendien maakt witlicht-LED voornamelijk gebruik van een gemengd verpakkingsproces van fluorescerend poeder en siliconen. Vanwege de slechte thermische geleidbaarheid van fluorescerend poeder zal het apparaat door de langere werktijd opwarmen, wat leidt tot veroudering van de siliconen en een kortere levensduur van het apparaat. Dit probleem is vooral ernstig bij krachtige LED's met wit licht. Verpakken op afstand is één manier om dit probleem op te lossen door fluorescerend poeder aan het substraat te bevestigen en dit te scheiden van de blauwe LED-lichtbron, waardoor de impact van de door de chip gegenereerde warmte op de luminescerende prestaties van het fluorescerende poeder wordt verminderd. Als fluorescerend keramiek van zeldzame aardmetalen de kenmerken heeft van hoge thermische geleidbaarheid, hoge corrosieweerstand, hoge stabiliteit en uitstekende optische outputprestaties, kunnen ze beter voldoen aan de toepassingsvereisten van krachtige witte LED's met hoge energiedichtheid. Micro-nanopoeders met hoge sinteractiviteit en hoge dispersie zijn een belangrijke voorwaarde geworden voor de bereiding van zeldzame-aarde optische functionele keramiek met hoge transparantie en hoge optische outputprestaties.
03. Lichtgevende nanomaterialen met opwaartse conversie van zeldzame aardmetalen
Opconversieluminescentie is een speciaal type luminescentieproces dat wordt gekenmerkt door de absorptie van meerdere energiezuinige fotonen door luminescerende materialen en het genereren van hoogenergetische fotonenemissie. Vergeleken met traditionele organische kleurstofmoleculen of kwantumdots hebben luminescerende nanomaterialen met opwaartse conversie van zeldzame aardmetalen veel voordelen, zoals een grote anti-Stokes-verschuiving, een smalle emissieband, goede stabiliteit, lage toxiciteit, hoge weefselpenetratiediepte en lage spontane fluorescentie-interferentie. Ze hebben brede toepassingsmogelijkheden op biomedisch gebied.
De afgelopen jaren hebben luminescerende nanomaterialen met opwaartse conversie van zeldzame aardmetalen aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van synthese, oppervlaktemodificatie, oppervlaktefunctionalisering en biomedische toepassingen. Mensen verbeteren de luminescentieprestaties van materialen door hun samenstelling, fasetoestand, grootte, enz. op nanoschaal te optimaliseren, en door de kern/schilstructuur te combineren om het luminescentie-uitdovingscentrum te verkleinen, om de overgangswaarschijnlijkheid te vergroten. Door chemische modificatie technologieën tot stand te brengen met goede biocompatibiliteit om de toxiciteit te verminderen, en beeldvormingsmethoden te ontwikkelen voor opconversie van luminescerende levende cellen en in vivo; Ontwikkel efficiënte en veilige biologische koppelingsmethoden op basis van de behoeften van verschillende toepassingen (immuundetectiecellen, in vivo fluorescentiebeeldvorming, fotodynamische therapie, fotothermische therapie, geneesmiddelen met gecontroleerde afgifte, enz.).
Deze studie heeft een enorm toepassingspotentieel en economische voordelen, en heeft een belangrijke wetenschappelijke betekenis voor de ontwikkeling van nanogeneeskunde, de bevordering van de menselijke gezondheid en sociale vooruitgang.
Nr. 2 Zeldzame aardmetalen nanomagnetische materialen
Zeldzame aarde permanente magneetmaterialen hebben drie ontwikkelingsstadia doorlopen: SmCo5, Sm2Co7 en Nd2Fe14B. Als een snel gedoofd NdFeB magnetisch poeder voor gebonden permanente magneetmaterialen, varieert de korrelgrootte van 20 nm tot 50 nm, waardoor het een typisch nanokristallijn permanent magneetmateriaal van zeldzame aardmetalen is.
Nanomagnetische materialen van zeldzame aardmetalen hebben de kenmerken van kleine afmetingen, structuur met één domein en hoge coërciviteit. Het gebruik van magnetische opnamematerialen kan de signaal-ruisverhouding en de beeldkwaliteit verbeteren. Vanwege zijn kleine formaat en hoge betrouwbaarheid is het gebruik ervan in micromotorsystemen een belangrijke richting voor de ontwikkeling van de nieuwe generatie luchtvaart-, ruimtevaart- en scheepsmotoren. Voor magnetisch geheugen, magnetische vloeistof en Giant Magneto Resistance-materialen kunnen de prestaties aanzienlijk worden verbeterd, waardoor apparaten krachtig en geminiaturiseerd worden.
Nr.3Zeldzame aarde nanokatalytische materialen
Katalytische materialen van zeldzame aardmetalen omvatten bijna alle katalytische reacties. Als gevolg van oppervlakte-effecten, volume-effecten en kwantumgrootte-effecten heeft de zeldzame aarden nanotechnologie steeds meer de aandacht getrokken. Bij veel chemische reacties worden zeldzame aardkatalysatoren gebruikt. Als zeldzame aarden nanokatalysatoren worden gebruikt, zullen de katalytische activiteit en efficiëntie aanzienlijk worden verbeterd.
Zeldzame aarde nanokatalysatoren worden over het algemeen gebruikt bij het katalytisch kraken van aardolie en de zuiveringsbehandeling van auto-uitlaatgassen. De meest gebruikte nanokatalytische materialen van zeldzame aardmetalen zijnCeO2EnLa2O3, die kunnen worden gebruikt als katalysatoren en promotors, evenals als katalysatordragers.
Nr.4Nano-ceriumoxidemateriaal voor ultraviolette afscherming
Nano-ceriumoxide staat bekend als het ultraviolette isolatiemiddel van de derde generatie, met een goed isolatie-effect en hoge doorlaatbaarheid. In cosmetica moet nanoceriumoxide met lage katalytische activiteit worden gebruikt als UV-isolerend middel. Daarom is de marktaandacht en erkenning van nano-ceriumoxide-ultraviolette afschermingsmaterialen hoog. De voortdurende verbetering van de integratie van geïntegreerde schakelingen vereist nieuwe materialen voor de productieprocessen van geïntegreerde schakelingen. Nieuwe materialen stellen hogere eisen aan polijstvloeistoffen, en halfgeleiderpolijstvloeistoffen voor zeldzame aardmetalen moeten aan deze eis voldoen, met een hogere polijstsnelheid en minder polijstvolume. Nano-polijstmaterialen voor zeldzame aardmetalen hebben een brede markt.
De aanzienlijke toename van het autobezit heeft tot ernstige luchtvervuiling geleid, en de installatie van katalysatoren voor het zuiveren van uitlaatgassen van auto's is de meest effectieve manier om de uitlaatvervuiling onder controle te houden. Nanocerium-zirkoniumcomposietoxiden spelen een belangrijke rol bij het verbeteren van de kwaliteit van de staartgaszuivering.
Nr.5 Andere nano-functionele materialen
01. Zeldzame aarde nano-keramische materialen
Nano-keramisch poeder kan de sintertemperatuur aanzienlijk verlagen, die 200 ℃ ~ 300 ℃ lager is dan die van niet-nano-keramisch poeder met dezelfde samenstelling. Het toevoegen van nano CeO2 aan keramiek kan de sintertemperatuur verlagen, roostergroei remmen en de dichtheid van keramiek verbeteren. Het toevoegen van zeldzame aardelementen zoalsY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2kan fasetransformatie bij hoge temperaturen en verbrossing van ZrO2 voorkomen en geharde keramische structurele materialen van ZrO2-fasetransformatie verkrijgen.
Elektronische keramiek (elektronische sensoren, PTC-materialen, microgolfmaterialen, condensatoren, thermistoren, enz.) vervaardigd met behulp van ultrafijne of nanoschaal CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3, enz. hebben verbeterde elektrische, thermische en stabiliteitseigenschappen.
Door zeldzame aarde-geactiveerde fotokatalytische composietmaterialen aan de glazuurformule toe te voegen, kan zeldzame aarde-antibacteriële keramiek worden bereid.
02.Zeldzame aarde nano dunne filmmaterialen
Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie worden de prestatie-eisen voor producten steeds strenger, waardoor ultrafijne, ultradunne, ultrahoge dichtheid en ultravulling van producten nodig zijn. Momenteel zijn er drie hoofdcategorieën nanofilms van zeldzame aardmetalen ontwikkeld: complexe nanofilms van zeldzame aardmetalen, nanofilms van zeldzame aardoxide en films van zeldzame aardmetalen. Zeldzame aarde nanofilms spelen ook een belangrijke rol in de informatie-industrie, katalyse, energie, transport en levensgeneeskunde.
Conclusie
China is een belangrijk land op het gebied van zeldzame aardmetalen. De ontwikkeling en toepassing van zeldzame aardmetalen is een nieuwe manier om zeldzame aardmetalen effectief te benutten. Om het toepassingsbereik van zeldzame aardmetalen uit te breiden en de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen te bevorderen, moet er een nieuw theoretisch systeem in de materiaaltheorie worden opgezet om aan de onderzoeksbehoeften op nanoschaal te voldoen, ervoor te zorgen dat nanomaterialen van zeldzame aardmetalen betere prestaties leveren en de opkomst te vergroten. van nieuwe eigenschappen en functies mogelijk.
Posttijd: 29 mei 2023