Nanomateriali redkih zemelj Elementi redkih zemelj imajo edinstveno elektronsko strukturo podplasti 4f, velik atomski magnetni moment, močno sklopitev vrtilne orbite in druge značilnosti, kar ima za posledico zelo bogate optične, električne, magnetne in druge lastnosti. So nepogrešljivi strateški materiali za države po vsem svetu pri preoblikovanju tradicionalnih industrij in razvoju visoke tehnologije ter znani kot »zakladnica novih materialov«.
Poleg uporabe na tradicionalnih področjih, kot so metalurški stroji, petrokemikalije, steklokeramika in lahki tekstil,redke zemljeso tudi ključni podporni materiali na nastajajočih področjih, kot so čista energija, velika vozila, nova energetska vozila, polprevodniška razsvetljava in novi zasloni, tesno povezani s človeškim življenjem.
Po desetletjih razvoja se je fokus raziskav, povezanih z redkimi zemljami, ustrezno premaknil s taljenja in ločevanja posameznih redkih zemelj visoke čistosti na visokotehnološko uporabo redkih zemelj v magnetizmu, optiki, elektriki, shranjevanju energije, katalizi, biomedicini, in druga področja. Po eni strani obstaja večji trend k kompozitnim materialom redkih zemelj v materialnem sistemu; Po drugi strani pa je bolj osredotočen na nizkodimenzionalne funkcionalne kristalne materiale v smislu morfologije. Zlasti z razvojem sodobne nanoznanosti, ki združuje učinke majhne velikosti, kvantne učinke, površinske učinke in učinke vmesnika nanomaterialov z edinstvenimi značilnostmi strukture elektronske plasti elementov redkih zemelj, imajo nanomateriali redkih zemelj veliko novih lastnosti, ki se razlikujejo od tradicionalnih materialov, kar povečuje odlično delovanje redkih zemeljskih materialov, In še razširiti svojo uporabo na področju tradicionalnih materialov in nove visokotehnološke proizvodnje.
Trenutno obstajajo predvsem naslednji zelo obetavni nanomateriali redkih zemelj, in sicer nano luminiscenčni materiali redkih zemelj, nano katalitični materiali redkih zemelj, nano magnetni materiali redkih zemelj,nano cerijev oksidmateriali za ultravijolično zaščito in drugi nanofunkcionalni materiali.
št.1Nano luminiscentni materiali redkih zemelj
01. Organsko-anorganski hibridni luminiscentni nanomateriali redkih zemelj
Kompozitni materiali združujejo različne funkcionalne enote na molekularni ravni, da dosežejo komplementarne in optimizirane funkcije. Organski anorganski hibridni material ima funkcije organskih in anorganskih komponent, ki kažejo dobro mehansko stabilnost, prožnost, toplotno stabilnost in odlično predelovalnost.
Redka zemljakompleksi imajo številne prednosti, kot so visoka čistost barv, dolga življenjska doba vzbujenega stanja, visok kvantni izkoristek in bogate črte emisijskega spektra. Široko se uporabljajo na številnih področjih, kot so zasloni, ojačanje optičnega valovoda, polprevodniški laserji, biomarkerji in proti ponarejanju. Vendar pa nizka fototermična stabilnost in slaba obdelava kompleksov redkih zemelj resno ovirata njihovo uporabo in promocijo. Kombinacija kompleksov redkih zemelj z anorganskimi matricami z dobrimi mehanskimi lastnostmi in stabilnostjo je učinkovit način za izboljšanje luminiscentnih lastnosti kompleksov redkih zemelj.
Od razvoja redkih zemeljskih organskih anorganskih hibridnih materialov, njihovi razvojni trendi kažejo naslednje značilnosti:
① Hibridni material, pridobljen z metodo kemičnega dopinga, ima stabilne aktivne komponente, visoko količino dopinga in enakomerno porazdelitev komponent;
② Preoblikovanje iz enofunkcionalnih materialov v večnamenske materiale, razvoj večnamenskih materialov za obsežnejšo uporabo;
③ Matrica je raznolika, od predvsem silicijevega dioksida do različnih substratov, kot so titanov dioksid, organski polimeri, gline in ionske tekočine.
02. Bela LED redka zemlja luminiscenčni material
V primerjavi z obstoječimi tehnologijami razsvetljave imajo polprevodniški izdelki za razsvetljavo, kot so svetleče diode (LED), prednosti, kot so dolga življenjska doba, nizka poraba energije, visoka svetlobna učinkovitost, brez živega srebra, brez UV-žarkov in stabilno delovanje. Veljajo za "svetlobni vir četrte generacije" po žarnicah z žarilno nitko, fluorescenčnimi sijalkami in visokomočnimi sijalkami na razelektritev v plinu (HID).
Bela LED je sestavljena iz čipov, substratov, fosforjev in gonilnikov. Fluorescentni prah redkih zemelj igra ključno vlogo pri delovanju bele LED. V zadnjih letih je bilo opravljenih veliko raziskav o belih LED fosforjih in dosežen je odličen napredek:
① Razvoj nove vrste fosforja, ki ga vzbuja modra LED (460 m), je izvedel raziskave dopinga in modifikacije YAO2Ce (YAG: Ce), ki se uporablja v čipih modre LED za izboljšanje svetlobne učinkovitosti in barvnega upodabljanja;
② Razvoj novih fluorescentnih praškov, vzbujenih z ultravijolično svetlobo (400 m) ali ultravijolično svetlobo (360 mm), je sistematično proučeval sestavo, strukturo in spektralne značilnosti rdečih in zeleno modrih fluorescentnih praškov, kot tudi različna razmerja treh fluorescenčnih praškov. za pridobitev bele LED z različnimi barvnimi temperaturami;
③ Opravljeno je bilo nadaljnje delo na osnovnih znanstvenih vprašanjih v postopku priprave fluorescenčnega prahu, kot je vpliv postopka priprave na tok, da se zagotovi kakovost in stabilnost fluorescenčnega prahu.
Poleg tega bela svetloba LED večinoma uporablja mešani postopek pakiranja fluorescentnega prahu in silikona. Zaradi slabe toplotne prevodnosti fluorescenčnega prahu se naprava zaradi daljšega časa delovanja segreva, kar povzroči staranje silikona in skrajšanje življenjske dobe naprave. Ta težava je še posebej resna pri visoko zmogljivih LED diodah z belo svetlobo. Oddaljeno pakiranje je eden od načinov za rešitev te težave s pritrditvijo fluorescentnega prahu na substrat in njegovo ločitvijo od modrega svetlobnega vira LED, s čimer se zmanjša vpliv toplote, ki jo ustvari čip, na luminiscenčno delovanje fluorescentnega prahu. Če ima fluorescenčna keramika redkih zemelj značilnosti visoke toplotne prevodnosti, visoke odpornosti proti koroziji, visoke stabilnosti in odlične optične izhodne zmogljivosti, lahko bolje izpolnjuje zahteve uporabe visokozmogljivih belih LED z visoko energijsko gostoto. Mikro nano praški z visoko aktivnostjo sintranja in visoko disperzijo so postali pomemben predpogoj za pripravo visoko prosojne optične funkcionalne keramike redkih zemelj z visoko optično izhodno zmogljivostjo.
03. Luminescentni nanomateriali s povečano pretvorbo redkih zemelj
Luminescenca s povečano pretvorbo je posebna vrsta postopka luminiscence, za katero je značilna absorpcija več nizkoenergijskih fotonov s luminiscenčnimi materiali in ustvarjanje visokoenergijske emisije fotonov. V primerjavi s tradicionalnimi molekulami organskih barvil ali kvantnimi pikami imajo luminiscenčni nanomateriali redkih zemelj s pretvorbo veliko prednosti, kot so velik anti-Stokesov premik, ozek emisijski pas, dobra stabilnost, nizka toksičnost, velika globina prodiranja v tkiva in nizke spontane fluorescenčne motnje. Imajo široke možnosti uporabe na biomedicinskem področju.
V zadnjih letih so luminiscenčni nanomateriali redkih zemelj s povečano pretvorbo dosegli pomemben napredek pri sintezi, površinski modifikaciji, površinski funkcionalizaciji in biomedicinskih aplikacijah. Ljudje izboljšujejo luminiscenčno zmogljivost materialov z optimizacijo njihove sestave, faznega stanja, velikosti itd. na nanometru in z združevanjem strukture jedro/oklep, da zmanjšajo središče za dušenje luminiscence, da povečajo verjetnost prehoda. S kemično modifikacijo vzpostaviti tehnologije z dobro biokompatibilnostjo za zmanjšanje toksičnosti in razviti slikovne metode za pretvorbo luminiscentnih živih celic in in vivo; Razviti učinkovite in varne metode biološkega spajanja na podlagi potreb različnih aplikacij (celice za imunsko zaznavanje, in vivo fluorescenčno slikanje, fotodinamična terapija, fototermalna terapija, zdravila s fotokontroliranim sproščanjem itd.).
Ta študija ima ogromen potencial uporabe in gospodarske koristi ter ima pomemben znanstveni pomen za razvoj nanomedicine, spodbujanje zdravja ljudi in družbeni napredek.
2. Nano magnetni materiali redkih zemelj
Trajni magnetni materiali redkih zemelj so šli skozi tri razvojne stopnje: SmCo5, Sm2Co7 in Nd2Fe14B. Kot hitro kaljen magnetni prah NdFeB za vezane trajne magnetne materiale se velikost zrn giblje od 20 nm do 50 nm, zaradi česar je tipičen nanokristalni trajni magnetni material redkih zemelj.
Nanomagnetni materiali redkih zemelj imajo značilnosti majhne velikosti, enodomenske strukture in visoke koercitivnosti. Uporaba magnetnih snemalnih materialov lahko izboljša razmerje med signalom in šumom ter kakovost slike. Zaradi svoje majhnosti in visoke zanesljivosti je njegova uporaba v mikro motornih sistemih pomembna usmeritev za razvoj nove generacije letalskih, vesoljskih in ladijskih motorjev. Za magnetni pomnilnik, magnetno tekočino, materiale Giant Magneto Resistance je mogoče zmogljivost močno izboljšati, zaradi česar postanejo naprave visoko zmogljive in miniaturne.
št.3Redke zemlje nanokatalitični materiali
Katalitični materiali redkih zemelj vključujejo skoraj vse katalitične reakcije. Zaradi površinskih učinkov, učinkov volumna in učinkov kvantne velikosti je nanotehnologija redkih zemelj vse bolj pritegnila pozornost. V številnih kemijskih reakcijah se uporabljajo katalizatorji redkih zemelj. Če uporabimo nanokatalizatorje redkih zemelj, se bosta katalitična aktivnost in učinkovitost močno izboljšali.
Nanokatalizatorji redkih zemelj se običajno uporabljajo pri katalitskem krekingu nafte in čiščenju avtomobilskih izpušnih plinov. Najpogosteje uporabljeni nanokatalitični materiali redkih zemelj soCeO2inLa2O3, ki se lahko uporabljajo kot katalizatorji in promotorji, pa tudi kot nosilci katalizatorjev.
št.4Nano cerijev oksidmaterial za ultravijolično zaščito
Nano cerijev oksid je znan kot ultravijolično izolacijsko sredstvo tretje generacije z dobrim izolacijskim učinkom in visoko prepustnostjo. V kozmetiki je treba kot UV-izolacijsko sredstvo uporabiti nanocerijev oksid z nizko katalitično aktivnostjo. Zato sta tržna pozornost in prepoznavnost nanocerijevih oksidnih ultravijoličnih zaščitnih materialov velika. Nenehno izboljševanje integracije integriranih vezij zahteva nove materiale za postopke izdelave čipov integriranih vezij. Novi materiali imajo višje zahteve za tekočine za poliranje in tekočine za poliranje redkih zemelj polprevodnikov morajo izpolnjevati to zahtevo, s hitrejšo hitrostjo poliranja in manjšim volumnom za poliranje. Nano materiali za poliranje redkih zemelj imajo širok trg.
Znatno povečanje lastništva avtomobilov je povzročilo resno onesnaženje zraka, namestitev katalizatorjev za čiščenje izpušnih plinov v avtomobilih pa je najučinkovitejši način za nadzor onesnaženosti z izpušnimi plini. Nano cerijevi cirkonijevi kompozitni oksidi igrajo pomembno vlogo pri izboljšanju kakovosti čiščenja izpušnih plinov.
Št. 5 Drugi nano funkcionalni materiali
01. Nano keramični materiali redkih zemelj
Nano keramični prah lahko znatno zniža temperaturo sintranja, ki je za 200 ℃ ~ 300 ℃ nižja od temperature nenano keramičnega prahu z enako sestavo. Dodajanje nano CeO2 keramiki lahko zniža temperaturo sintranja, zavira rast mreže in izboljša gostoto keramike. Dodajanje elementov redkih zemelj, kot je nprY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2lahko prepreči visokotemperaturno fazno transformacijo in krhkost ZrO2 ter pridobi fazno transformacijo ZrO2 kaljene keramične strukturne materiale.
Elektronska keramika (elektronski senzorji, materiali PTC, mikrovalovni materiali, kondenzatorji, termistorji itd.), pripravljena z uporabo ultrafinega ali nanometrskega CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3itd. imajo izboljšane električne, toplotne in stabilnostne lastnosti.
Dodajanje fotokatalitskih kompozitnih materialov, aktiviranih z redko zemljo, formuli za glazuro lahko pripravi antibakterijsko keramiko iz redkih zemelj.
02. Nano tankoslojni materiali redkih zemelj
Z razvojem znanosti in tehnologije postajajo zahteve glede zmogljivosti izdelkov vse strožje, saj zahtevajo izdelke z ultra finimi, ultra tankimi izdelki z ultra visoko gostoto in ultra polnjenjem. Trenutno so razvite tri glavne kategorije nano filmov redkih zemelj: kompleksni nano filmi redkih zemelj, nano filmi redkih zemeljskih oksidov in filmi nano zlitin redkih zemelj. Nano filmi redkih zemelj igrajo pomembno vlogo tudi v informacijski industriji, katalizi, energiji, transportu in medicini življenja.
Zaključek
Kitajska je velika država z viri redkih zemelj. Razvoj in uporaba nanomaterialov redkih zemelj je nov način za učinkovito uporabo virov redkih zemelj. Da bi razširili obseg uporabe redkih zemelj in spodbudili razvoj novih funkcionalnih materialov, je treba vzpostaviti nov teoretični sistem v teoriji materialov, da bi zadostili raziskovalnim potrebam na nanometrskem merilu, izboljšali delovanje nanomaterialov redkih zemelj in omogočili pojav novih lastnosti in funkcij.
Čas objave: 29. maj 2023