Nanomateriais de terras raras Os elementos de terras raras têm uma estrutura eletrônica única de subcamada 4f, grande momento magnético atômico, forte acoplamento de órbita de rotação e outras características, resultando em propriedades ópticas, elétricas, magnéticas e outras muito ricas. São materiais estratégicos indispensáveis para países de todo o mundo transformarem indústrias tradicionais e desenvolverem alta tecnologia, e são conhecidos como o "tesouro de novos materiais".
Além de suas aplicações em campos tradicionais como máquinas metalúrgicas, petroquímica, cerâmica de vidro e têxteis leves,terras rarassão também materiais de apoio essenciais em campos emergentes, como energia limpa, veículos de grande porte, veículos de novas energias, iluminação de semicondutores e novos monitores, intimamente relacionados com a vida humana.
Após décadas de desenvolvimento, o foco da pesquisa relacionada às terras raras mudou correspondentemente da fundição e separação de terras raras individuais de alta pureza para as aplicações de alta tecnologia de terras raras em magnetismo, óptica, eletricidade, armazenamento de energia, catálise, biomedicina, e outros campos. Por um lado, há uma tendência maior para materiais compósitos de terras raras no sistema de materiais; Por outro lado, está mais focado em materiais cristalinos funcionais de baixa dimensão em termos de morfologia. Especialmente com o desenvolvimento da nanociência moderna, combinando os efeitos de tamanho pequeno, efeitos quânticos, efeitos de superfície e efeitos de interface dos nanomateriais com as características únicas da estrutura da camada eletrônica dos elementos de terras raras, os nanomateriais de terras raras exibem muitas propriedades novas diferentes dos materiais tradicionais, maximizando o excelente desempenho de materiais de terras raras e expandir ainda mais sua aplicação nas áreas de materiais tradicionais e novas manufaturas de alta tecnologia.
Atualmente, existem principalmente os seguintes nanomateriais de terras raras altamente promissores, nomeadamente materiais nano luminescentes de terras raras, materiais nano catalíticos de terras raras, materiais nano magnéticos de terras raras,óxido de nanocériomateriais de proteção ultravioleta e outros materiais nanofuncionais.
Nº 1Materiais nanoluminescentes de terras raras
01. Nanomateriais luminescentes híbridos orgânico-inorgânicos de terras raras
Os materiais compósitos combinam diferentes unidades funcionais em nível molecular para alcançar funções complementares e otimizadas. Os materiais híbridos orgânicos inorgânicos possuem funções de componentes orgânicos e inorgânicos, apresentando boa estabilidade mecânica, flexibilidade, estabilidade térmica e excelente processabilidade.
Terra raraos complexos têm muitas vantagens, como alta pureza de cor, longa vida útil do estado excitado, alto rendimento quântico e ricas linhas de espectro de emissão. Eles são amplamente utilizados em muitos campos, como exibição, amplificação de guia de ondas ópticas, lasers de estado sólido, biomarcadores e antifalsificação. No entanto, a baixa estabilidade fototérmica e a fraca processabilidade dos complexos de terras raras dificultam seriamente a sua aplicação e promoção. A combinação de complexos de terras raras com matrizes inorgânicas com boas propriedades mecânicas e estabilidade é uma forma eficaz de melhorar as propriedades luminescentes dos complexos de terras raras.
Desde o desenvolvimento de materiais híbridos inorgânicos orgânicos de terras raras, suas tendências de desenvolvimento mostram as seguintes características:
① O material híbrido obtido pelo método de dopagem química possui componentes ativos estáveis, alta quantidade de dopagem e distribuição uniforme de componentes;
② Transformação de materiais funcionais únicos em materiais multifuncionais, desenvolvendo materiais multifuncionais para tornar suas aplicações mais extensas;
③ A matriz é diversa, desde principalmente sílica até vários substratos, como dióxido de titânio, polímeros orgânicos, argilas e líquidos iônicos.
02. Material luminescente de terras raras LED branco
Em comparação com as tecnologias de iluminação existentes, os produtos de iluminação semicondutores, como diodos emissores de luz (LEDs), têm vantagens como longa vida útil, baixo consumo de energia, alta eficiência luminosa, livre de mercúrio, livre de UV e operação estável. Eles são considerados a "fonte de luz de quarta geração", depois das lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes e lâmpadas de descarga de gás de alta resistência (HIDs).
O LED branco é composto de chips, substratos, fósforos e drivers. O pó fluorescente de terras raras desempenha um papel crucial no desempenho do LED branco. Nos últimos anos, uma grande quantidade de trabalho de pesquisa foi realizada em fósforos LED brancos e excelentes progressos foram feitos:
① O desenvolvimento de um novo tipo de fósforo excitado por LED azul (460m) realizou pesquisas de dopagem e modificação em YAO2Ce (YAG: Ce) usado em chips de LED azuis para melhorar a eficiência da luz e a reprodução de cores;
② O desenvolvimento de novos pós fluorescentes excitados por luz ultravioleta (400m) ou luz ultravioleta (360mm) estudou sistematicamente a composição, estrutura e características espectrais dos pós fluorescentes vermelhos e azuis verdes, bem como as diferentes proporções dos três pós fluorescentes obter LED branco com diferentes temperaturas de cor;
③ Outros trabalhos foram realizados sobre as questões científicas básicas do processo de preparação do pó fluorescente, como a influência do processo de preparação no fluxo, para garantir a qualidade e estabilidade do pó fluorescente.
Além disso, o LED de luz branca adota principalmente um processo de embalagem mista de pó fluorescente e silicone. Devido à baixa condutividade térmica do pó fluorescente, o dispositivo irá aquecer devido ao tempo de trabalho prolongado, levando ao envelhecimento do silicone e encurtando a vida útil do dispositivo. Este problema é particularmente sério em LEDs de luz branca de alta potência. A embalagem remota é uma forma de resolver este problema, anexando pó fluorescente ao substrato e separando-o da fonte de luz LED azul, reduzindo assim o impacto do calor gerado pelo chip no desempenho luminescente do pó fluorescente. Se a cerâmica fluorescente de terras raras tiver as características de alta condutividade térmica, alta resistência à corrosão, alta estabilidade e excelente desempenho de saída óptica, ela poderá atender melhor aos requisitos de aplicação de LED branco de alta potência com alta densidade de energia. Micro nano pós com alta atividade de sinterização e alta dispersão tornaram-se um pré-requisito importante para a preparação de cerâmicas funcionais ópticas de terras raras de alta transparência com alto desempenho de saída óptica.
03. Nanomateriais luminescentes de conversão ascendente de terras raras
A luminescência de conversão ascendente é um tipo especial de processo de luminescência caracterizado pela absorção de múltiplos fótons de baixa energia por materiais luminescentes e pela geração de emissão de fótons de alta energia. Em comparação com moléculas de corantes orgânicos tradicionais ou pontos quânticos, os nanomateriais luminescentes de conversão ascendente de terras raras têm muitas vantagens, como grande deslocamento anti-Stokes, banda de emissão estreita, boa estabilidade, baixa toxicidade, alta profundidade de penetração nos tecidos e baixa interferência espontânea de fluorescência. Eles têm amplas perspectivas de aplicação no campo biomédico.
Nos últimos anos, os nanomateriais luminescentes de conversão ascendente de terras raras fizeram progressos significativos na síntese, modificação de superfície, funcionalização de superfície e aplicações biomédicas. As pessoas melhoram o desempenho de luminescência dos materiais otimizando sua composição, estado de fase, tamanho, etc. em nanoescala e combinando a estrutura núcleo/invólucro para reduzir o centro de extinção de luminescência, a fim de aumentar a probabilidade de transição. Por modificação química, estabelecer tecnologias com boa biocompatibilidade para reduzir a toxicidade e desenvolver métodos de imagem para conversão ascendente de células vivas luminescentes e in vivo; Desenvolver métodos de acoplamento biológico eficientes e seguros com base nas necessidades de diferentes aplicações (células de detecção imunológica, imagens de fluorescência in vivo, terapia fotodinâmica, terapia fototérmica, medicamentos de liberação fotocontrolada, etc.).
Este estudo tem um enorme potencial de aplicação e benefícios económicos, e tem um significado científico importante para o desenvolvimento da nanomedicina, a promoção da saúde humana e o progresso social.
No.2 Materiais nanomagnéticos de terras raras
Os materiais magnéticos permanentes de terras raras passaram por três estágios de desenvolvimento: SmCo5, Sm2Co7 e Nd2Fe14B. Como um pó magnético NdFeB de resfriamento rápido para materiais magnéticos permanentes ligados, o tamanho do grão varia de 20 nm a 50 nm, tornando-o um material típico de ímã permanente nanocristalino de terras raras.
Os materiais nanomagnéticos de terras raras têm características de tamanho pequeno, estrutura de domínio único e alta coercividade. O uso de materiais de gravação magnética pode melhorar a relação sinal-ruído e a qualidade da imagem. Devido ao seu pequeno tamanho e alta confiabilidade, seu uso em sistemas de micromotores é uma direção importante para o desenvolvimento da nova geração de motores aeronáuticos, aeroespaciais e marítimos. Para memória magnética, fluido magnético e materiais de resistência magnética gigante, o desempenho pode ser bastante melhorado, tornando os dispositivos de alto desempenho e miniaturizados.
Nº3Terra rara nanomateriais catalíticos
Os materiais catalíticos de terras raras envolvem quase todas as reações catalíticas. Devido aos efeitos de superfície, efeitos de volume e efeitos de tamanho quântico, a nanotecnologia de terras raras tem atraído cada vez mais atenção. Em muitas reações químicas, são utilizados catalisadores de terras raras. Se forem utilizados nanocatalisadores de terras raras, a atividade catalítica e a eficiência serão bastante melhoradas.
Nanocatalisadores de terras raras são geralmente usados no craqueamento catalítico de petróleo e no tratamento de purificação de escapamentos automotivos. Os materiais nanocatalíticos de terras raras mais comumente usados sãoCeO2eLa2O3, que podem ser usados como catalisadores e promotores, bem como transportadores de catalisadores.
Nº 4Óxido de nanocériomaterial de proteção ultravioleta
O óxido de nanocério é conhecido como agente de isolamento ultravioleta de terceira geração, com bom efeito de isolamento e alta transmitância. Em cosméticos, a nano céria de baixa atividade catalítica deve ser usada como agente isolante de UV. Portanto, a atenção do mercado e o reconhecimento dos materiais de proteção ultravioleta de óxido de nanocério são altos. A melhoria contínua da integração de circuitos integrados requer novos materiais para processos de fabricação de chips de circuitos integrados. Novos materiais têm requisitos mais elevados para fluidos de polimento, e fluidos de polimento de terras raras semicondutores precisam atender a esse requisito, com velocidade de polimento mais rápida e menor volume de polimento. Os materiais de polimento de nano terras raras têm um amplo mercado.
O aumento significativo na propriedade de automóveis causou grave poluição do ar, e a instalação de catalisadores de purificação de escapamentos de automóveis é a forma mais eficaz de controlar a poluição dos escapamentos. Os óxidos compostos de nanocério e zircônio desempenham um papel importante na melhoria da qualidade da purificação do gás residual.
No.5 Outros materiais nanofuncionais
01. Materiais nanocerâmicos de terras raras
O pó nano cerâmico pode reduzir significativamente a temperatura de sinterização, que é 200 ℃ ~ 300 ℃ inferior à do pó não nano cerâmico com a mesma composição. Adicionar nano CeO2 à cerâmica pode reduzir a temperatura de sinterização, inibir o crescimento da rede e melhorar a densidade da cerâmica. Adicionando elementos de terras raras, comoY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2pode evitar a transformação de fase em alta temperatura e a fragilização do ZrO2 e obter materiais estruturais cerâmicos endurecidos pela transformação de fase do ZrO2.
Cerâmicas eletrônicas (sensores eletrônicos, materiais PTC, materiais de micro-ondas, capacitores, termistores, etc.) preparadas usando CeO2 ultrafino ou em nanoescala, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3, etc. melhoraram as propriedades elétricas, térmicas e de estabilidade.
Adicionar materiais compósitos fotocatalíticos ativados por terras raras à fórmula do esmalte pode preparar cerâmicas antibacterianas de terras raras.
02.Materiais de filme nano fino de terras raras
Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, os requisitos de desempenho dos produtos estão se tornando cada vez mais rigorosos, exigindo produtos ultrafinos, ultrafinos, de ultra-alta densidade e ultra-enchimento. Atualmente, existem três categorias principais de nanofilmes de terras raras desenvolvidas: nanofilmes complexos de terras raras, nanofilmes de óxido de terras raras e filmes de nanoligas de terras raras. Os nanofilmes de terras raras também desempenham papéis importantes na indústria da informação, catálise, energia, transporte e medicina vital.
Conclusão
A China é um país importante em recursos de terras raras. O desenvolvimento e a aplicação de nanomateriais de terras raras são uma nova forma de utilizar eficazmente os recursos de terras raras. A fim de expandir o escopo de aplicação das terras raras e promover o desenvolvimento de novos materiais funcionais, um novo sistema teórico deve ser estabelecido na teoria dos materiais para atender às necessidades de pesquisa em nanoescala, fazer com que os nanomateriais de terras raras tenham melhor desempenho e fazer o surgimento de novas propriedades e funções possíveis.
Horário da postagem: 29 de maio de 2023