Nanomateriale din pământuri rare
Nanomateriale din pământuri rare Elementele pământului rare au o structură electronică unică de sub-strat 4f, un moment magnetic atomic mare, o cuplare puternică a orbitei de spin și alte caracteristici, rezultând proprietăți optice, electrice, magnetice și alte proprietăți foarte bogate. Ele sunt materiale strategice indispensabile pentru țările din întreaga lume pentru a transforma industriile tradiționale și pentru a dezvolta high-tech și sunt cunoscute drept „casa de comori a materialelor noi”.
În plus față de aplicațiile sale în domenii tradiționale, cum ar fi mașinile metalurgice, petrochimia, ceramica din sticlă și textilele ușoare,pământuri raresunt, de asemenea, materiale de sprijin cheie în domenii emergente, cum ar fi energia curată, vehiculele mari, vehiculele cu energie nouă, iluminatul cu semiconductori și ecranele noi, strâns legate de viața umană.
După decenii de dezvoltare, accentul cercetării legate de pământurile rare s-a mutat în mod corespunzător de la topirea și separarea pământurilor rare de înaltă puritate la aplicațiile de înaltă tehnologie ale pământurilor rare în magnetism, optică, electricitate, stocare de energie, cataliză, biomedicină, si alte domenii. Pe de o parte, există o tendință mai mare către materialele compozite cu pământuri rare în sistemul de materiale; Pe de altă parte, se concentrează mai mult pe materiale cristaline funcționale cu dimensiuni reduse în ceea ce privește morfologia. În special odată cu dezvoltarea nanoștiinței moderne, combinând efectele de dimensiuni mici, efectele cuantice, efectele de suprafață și efectele de interfață ale nanomaterialelor cu caracteristicile unice ale structurii straturilor electronice ale elementelor pământurilor rare, nanomaterialele pământurilor rare prezintă multe proprietăți noi diferite de materialele tradiționale, maximizând performanța excelentă a materialelor din pământuri rare și extinderea în continuare a aplicației în domeniile materialelor tradiționale și a noii producții de înaltă tehnologie.
În prezent, există în principal următoarele nanomateriale cu pământuri rare foarte promițătoare, și anume materiale nanoluminiscente cu pământuri rare, materiale nanocatalitice cu pământuri rare, materiale nanomagnetice cu pământuri rare,nano oxid de ceriumateriale de ecranare ultraviolete și alte materiale nano funcționale.
nr.1Materiale nanoluminiscente din pământuri rare
01. Nanomateriale luminiscente hibride organice-anorganice din pământuri rare
Materialele compozite combină diferite unități funcționale la nivel molecular pentru a realiza funcții complementare și optimizate. Materialul hibrid organic anorganic are funcțiile componentelor organice și anorganice, prezentând o bună stabilitate mecanică, flexibilitate, stabilitate termică și procesabilitate excelentă.
Pământ rarcomplexele au multe avantaje, cum ar fi puritatea ridicată a culorii, durata lungă de viață a stării excitate, randamentul cuantic ridicat și liniile bogate ale spectrului de emisie. Ele sunt utilizate pe scară largă în multe domenii, cum ar fi afișaj, amplificarea ghidului de undă optică, lasere cu stare solidă, biomarker și anti-contrafacere. Cu toate acestea, stabilitatea fototermică scăzută și procesabilitatea slabă a complexelor de pământuri rare împiedică serios aplicarea și promovarea acestora. Combinarea complexelor de pământuri rare cu matrici anorganice cu proprietăți mecanice bune și stabilitate este o modalitate eficientă de a îmbunătăți proprietățile luminiscente ale complexelor de pământuri rare.
De la dezvoltarea materialului hibrid organic anorganic de pământuri rare, tendințele lor de dezvoltare arată următoarele caracteristici:
① Materialul hibrid obținut prin metoda de dopaj chimic are componente active stabile, cantitate mare de dopaj și distribuție uniformă a componentelor;
② Transformarea de la materiale unice funcționale la materiale multifuncționale, dezvoltarea materialelor multifuncționale pentru a extinde aplicațiile acestora;
③ Matricea este diversă, de la în principal silice la diferite substraturi, cum ar fi dioxid de titan, polimeri organici, argile și lichide ionice.
02. Material luminiscent cu LED alb pământuri rare
În comparație cu tehnologiile de iluminat existente, produsele de iluminat cu semiconductori, cum ar fi diodele emițătoare de lumină (LED-urile) au avantaje precum durata de viață lungă, consum redus de energie, eficiență luminoasă ridicată, fără mercur, fără UV și funcționare stabilă. Sunt considerate „sursa de lumină de a patra generație” după lămpile cu incandescență, lămpile fluorescente și lămpile cu descărcare în gaz de mare putere (HID).
LED-ul alb este compus din cipuri, substraturi, fosfor și drivere. Pulberea fluorescentă de pământuri rare joacă un rol crucial în performanța LED-ului alb. În ultimii ani, s-au desfășurat o mare parte de lucrări de cercetare asupra fosforilor LED albi și s-au înregistrat progrese excelente:
① Dezvoltarea unui nou tip de fosfor excitat de LED-ul albastru (460m) a efectuat cercetări de dopaj și modificare asupra YAO2Ce (YAG: Ce) utilizat în cipurile LED albastre pentru a îmbunătăți eficiența luminii și redarea culorii;
② Dezvoltarea de noi pulberi fluorescente excitate de lumina ultravioletă (400m) sau lumina ultravioletă (360mm) a studiat sistematic compoziția, structura și caracteristicile spectrale ale pulberilor fluorescente roșii și verzi albastre, precum și diferitele rapoarte ale celor trei pulberi fluorescente. pentru a obține LED alb cu diferite temperaturi de culoare;
③ Au fost efectuate lucrări suplimentare cu privire la problemele științifice de bază în procesul de preparare a pulberii fluorescente, cum ar fi influența procesului de preparare asupra fluxului, pentru a asigura calitatea și stabilitatea pulberii fluorescente.
În plus, LED-ul cu lumină albă adoptă în principal un proces de ambalare mixt de pulbere fluorescentă și silicon. Datorită conductivității termice slabe a pulberii fluorescente, dispozitivul se va încălzi din cauza timpului de lucru prelungit, ceea ce duce la îmbătrânirea siliconului și la scurtarea duratei de viață a dispozitivului. Această problemă este deosebit de gravă la LED-urile cu lumină albă de mare putere. Ambalarea la distanță este o modalitate de a rezolva această problemă prin atașarea pulberii fluorescente pe substrat și separarea acesteia de sursa de lumină LED albastră, reducând astfel impactul căldurii generate de cip asupra performanței luminiscente a pulberii fluorescente. Dacă ceramica fluorescentă cu pământuri rare au caracteristicile de conductivitate termică ridicată, rezistență ridicată la coroziune, stabilitate ridicată și performanță optică excelentă, pot îndeplini mai bine cerințele de aplicare ale LED-ului alb de mare putere cu densitate mare de energie. Pulberile micro nano cu activitate de sinterizare mare și dispersie ridicată au devenit o condiție prealabilă importantă pentru prepararea ceramicii funcționale optice cu pământuri rare cu transparență ridicată, cu performanță optică ridicată.
03. Nanomateriale luminiscente cu conversie ascendentă din pământuri rare
Luminescența de conversie ascendentă este un tip special de proces de luminescență caracterizat prin absorbția mai multor fotoni cu energie joasă de către materiale luminiscente și generarea de emisii de fotoni de înaltă energie. În comparație cu moleculele tradiționale de colorant organic sau cu puncte cuantice, nanomaterialele luminiscente cu conversie ascendentă a pământurilor rare au multe avantaje, cum ar fi schimbarea mare anti Stokes, bandă îngustă de emisie, stabilitate bună, toxicitate scăzută, adâncime mare de penetrare a țesuturilor și interferență scăzută de fluorescență spontană. Au perspective largi de aplicare în domeniul biomedical.
În ultimii ani, nanomaterialele luminiscente cu conversie ascendentă a pământurilor rare au făcut progrese semnificative în sinteza, modificarea suprafeței, funcționalizarea suprafeței și aplicațiile biomedicale. Oamenii îmbunătățesc performanța de luminiscență a materialelor prin optimizarea compoziției, a stării fazei, a dimensiunii, etc. la scară nanometrică și combinând structura miez/înveliș pentru a reduce centrul de stingere a luminiscenței, pentru a crește probabilitatea de tranziție. Prin modificare chimică, stabiliți tehnologii cu o bună biocompatibilitate pentru a reduce toxicitatea și dezvoltați metode de imagistică pentru celulele vii luminescente de conversie ascendentă și in vivo; Dezvoltați metode de cuplare biologică eficiente și sigure bazate pe nevoile diferitelor aplicații (celule de detectare imună, imagistică prin fluorescență in vivo, terapie fotodinamică, terapie fototermală, medicamente cu eliberare fotocontrolată etc.).
Acest studiu are un potențial de aplicare enorm și beneficii economice și are o semnificație științifică importantă pentru dezvoltarea nanomedicinei, promovarea sănătății umane și progresul social.
Nr.2 Materiale nanomagnetice din pământuri rare
Materialele cu magnet permanenti din pământuri rare au trecut prin trei etape de dezvoltare: SmCo5, Sm2Co7 și Nd2Fe14B. Ca pulbere magnetică NdFeB stinsă rapid pentru materialele cu magnet permanenți lipite, dimensiunea granulelor variază de la 20 nm la 50 nm, făcându-l un material tipic de magnet permanent nanocristalin cu pământuri rare.
Materialele nanomagnetice din pământuri rare au caracteristicile unei dimensiuni mici, structurii unui singur domeniu și coercivitate ridicată. Utilizarea materialelor de înregistrare magnetice poate îmbunătăți raportul semnal-zgomot și calitatea imaginii. Datorită dimensiunilor reduse și fiabilității sale ridicate, utilizarea sa în sistemele cu micromotoare reprezintă o direcție importantă pentru dezvoltarea noii generații de motoare pentru aviație, aerospațială și marine. Pentru memoria magnetică, fluidul magnetic, materialele Giant Magneto Resistance, performanța poate fi mult îmbunătățită, făcând dispozitivele să devină performante și miniaturizate.
nr.3Pământuri rare nanomateriale catalitice
Materialele catalitice din pământuri rare implică aproape toate reacțiile catalitice. Datorită efectelor de suprafață, efectelor de volum și efectelor de dimensiune cuantică, nanotehnologia pământurilor rare a atras din ce în ce mai mult atenția. În multe reacții chimice, se folosesc catalizatori cu pământuri rare. Dacă se folosesc nanocatalizatori cu pământuri rare, activitatea catalitică și eficiența vor fi mult îmbunătățite.
Nanocatalizatorii din pământuri rare sunt utilizați în general în cracarea catalitică a petrolului și în tratamentul de purificare a eșapamentului auto. Cele mai utilizate materiale nanocatalitice cu pământuri rare suntCeO2şiLa2O3, care pot fi utilizați ca catalizatori și promotori, precum și purtători de catalizatori.
nr.4Nano oxid de ceriumaterial de ecranare ultraviolete
Nano oxidul de ceriu este cunoscut ca agent de izolare ultravioletă de a treia generație, cu efect de izolare bun și transmisie ridicată. În cosmetică, nanoceria cu activitate catalitică scăzută trebuie utilizată ca agent de izolare UV. Prin urmare, atenția pieței și recunoașterea materialelor de ecranare ultraviolete cu nano oxid de ceriu sunt ridicate. Îmbunătățirea continuă a integrării circuitelor integrate necesită noi materiale pentru procesele de fabricație a circuitelor integrate. Materialele noi au cerințe mai mari pentru fluidele de lustruire, iar fluidele de lustruire semiconductoare cu pământuri rare trebuie să îndeplinească această cerință, cu o viteză de lustruire mai mare și un volum de lustruire mai mic. Materialele de lustruire nano pământuri rare au o piață largă.
Creșterea semnificativă a deținerii de mașini a provocat o poluare gravă a aerului, iar instalarea catalizatorilor de purificare a gazelor de evacuare a mașinilor este cea mai eficientă modalitate de a controla poluarea prin evacuare. Oxizii compoziți de nano ceriu și zirconiu joacă un rol important în îmbunătățirea calității epurării gazelor reziduale.
Nr.5 Alte materiale nanofuncționale
01. Materiale nanoceramice din pământ rare
Pulberea nano ceramică poate reduce semnificativ temperatura de sinterizare, care este cu 200 ℃ ~ 300 ℃ mai mică decât cea a pulberii ceramice non nano cu aceeași compoziție. Adăugarea de nano CeO2 la ceramică poate reduce temperatura de sinterizare, poate inhiba creșterea rețelei și poate îmbunătăți densitatea ceramicii. Adăugarea de elemente de pământuri rare, cum ar fiY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2poate preveni transformarea de fază la temperatură înaltă și fragilizarea ZrO2 și poate obține materiale structurale ceramice întărite de transformare în fază ZrO2.
Ceramica electronică (senzori electronici, materiale PTC, materiale cu microunde, condensatoare, termistoare etc.) preparate folosind CeO2, Y2O3, la scară ultrafină sau nanometrică,Nd2O3, Sm2O3, etc. au proprietăți electrice, termice și de stabilitate îmbunătățite.
Adăugarea de materiale compozite fotocatalitice activate cu pământuri rare la formula de glazură poate prepara ceramică antibacteriană cu pământuri rare.
02. Materiale cu film subțire nano pământuri rare
Odată cu dezvoltarea științei și tehnologiei, cerințele de performanță pentru produse devin din ce în ce mai stricte, necesitând produse ultra-fine, ultra-subțiri, de densitate ultra-înaltă și ultra-umplere a produselor. În prezent, există trei categorii majore de nanofilme de pământuri rare dezvoltate: nanofilme complexe de pământuri rare, nanofilme de oxid de pământuri rare și filme de nanoaliaje de pământuri rare. Nanofilmele cu pământuri rare joacă, de asemenea, roluri importante în industria informației, cataliză, energie, transport și medicina vieții.
Concluzie
China este o țară majoră în resurse de pământuri rare. Dezvoltarea și aplicarea nanomaterialelor cu pământuri rare este o nouă modalitate de a utiliza eficient resursele pământurilor rare. Pentru a extinde domeniul de aplicare al pământurilor rare și pentru a promova dezvoltarea de noi materiale funcționale, ar trebui stabilit un nou sistem teoretic în teoria materialelor pentru a satisface nevoile de cercetare la scară nanometrică, pentru a face ca nanomaterialele pământurilor rare să aibă performanțe mai bune și pentru a face apariția. de noi proprietăți și funcții posibile.
Ora postării: 29-mai-2023