Рідкоземельні наноматеріали Рідкоземельні елементи мають унікальну електронну структуру підшару 4f, великий атомний магнітний момент, сильний спін-орбітальний зв’язок та інші характеристики, що призводить до дуже багатих оптичних, електричних, магнітних та інших властивостей. Вони є незамінними стратегічними матеріалами для країн у всьому світі для трансформації традиційних галузей промисловості та розвитку високих технологій, і їх називають «скарбницею нових матеріалів».
На додаток до його застосування в традиційних галузях, таких як металургійне машинобудування, нафтохімія, склокераміка та легкий текстиль,рідкісні землітакож є ключовими допоміжними матеріалами в нових сферах, таких як чиста енергетика, великі транспортні засоби, транспортні засоби з новою енергією, напівпровідникове освітлення та нові дисплеї, тісно пов’язані з життям людини.
Після десятиліть розвитку фокус досліджень, пов’язаних із рідкісноземельними елементами, відповідно перемістився від плавлення та виділення окремих рідкісноземельних елементів високої чистоти до високотехнологічного застосування рідкісноземельних елементів у магнетизмі, оптиці, електриці, накопиченні енергії, каталізі, біомедицині, та інші поля. З одного боку, існує більша тенденція до рідкоземельних композитних матеріалів у системі матеріалів; З іншого боку, він більше зосереджений на низькорозмірних функціональних кристалічних матеріалах з точки зору морфології. Особливо з розвитком сучасної нанонауки, поєднання ефектів малого розміру, квантових ефектів, ефектів поверхні та ефектів інтерфейсу наноматеріалів з унікальними характеристиками структури електронного шару рідкоземельних елементів, рідкоземельні наноматеріали демонструють багато нових властивостей, відмінних від традиційних матеріалів, максимізуючи відмінні характеристики рідкоземельних матеріалів, а також подальше розширення його застосування в галузі традиційних матеріалів і нових високотехнологічних виробництв.
На даний момент існують в основному такі багатообіцяючі рідкоземельні наноматеріали, а саме рідкоземельні нанолюмінесцентні матеріали, рідкоземельні нанокаталітичні матеріали, рідкоземельні наномагнітні матеріали,нано оксид церіюматеріали, що екранують ультрафіолет, та інші нанофункціональні матеріали.
No1Рідкоземельні нанолюмінесцентні матеріали
01. Рідкоземельні органо-неорганічні гібридні люмінесцентні наноматеріали
Композитні матеріали поєднують різні функціональні одиниці на молекулярному рівні для досягнення додаткових і оптимізованих функцій. Органічний неорганічний гібридний матеріал має функції органічних і неорганічних компонентів, демонструючи хорошу механічну стабільність, гнучкість, термічну стабільність і відмінну технологічність.
РідкісноземельніКомплекси мають багато переваг, таких як висока чистота кольору, тривале життя у збудженому стані, високий квантовий вихід і багаті лінії спектру випромінювання. Вони широко використовуються в багатьох галузях, таких як дисплей, оптичне хвилеводне посилення, твердотільні лазери, біомаркери та боротьба з підробкою. Однак низька фототермічна стабільність і погана технологічність рідкоземельних комплексів серйозно перешкоджають їх застосуванню та просуванню. Поєднання рідкоземельних комплексів з неорганічними матрицями з хорошими механічними властивостями та стабільністю є ефективним способом покращення люмінесцентних властивостей рідкоземельних комплексів.
З моменту розробки рідкоземельних органічних неорганічних гібридних матеріалів тенденції їх розвитку демонструють такі характеристики:
① Гібридний матеріал, отриманий методом хімічного легування, має стабільні активні компоненти, високу кількість легування та рівномірний розподіл компонентів;
② Перехід від однофункціональних матеріалів до багатофункціональних матеріалів, розробка багатофункціональних матеріалів для розширення їх застосування;
③ Матриця різноманітна, від головного діоксиду кремнію до різних субстратів, таких як діоксид титану, органічні полімери, глини та іонні рідини.
02. Білий світлодіодний рідкоземельний люмінесцентний матеріал
У порівнянні з існуючими технологіями освітлення напівпровідникові освітлювальні вироби, такі як світлодіоди (світлодіоди), мають такі переваги, як тривалий термін служби, низьке споживання енергії, висока світлова ефективність, відсутність ртуті, ультрафіолетового випромінювання та стабільна робота. Вони вважаються «джерелом світла четвертого покоління» після ламп розжарювання, люмінесцентних ламп і високоміцних газорозрядних ламп (HID).
Білий світлодіод складається з мікросхем, підкладок, люмінофорів і драйверів. Рідкоземельний флуоресцентний порошок відіграє вирішальну роль у продуктивності білого світлодіода. В останні роки було проведено великий обсяг дослідницьких робіт щодо білих світлодіодних люмінофорів і досягнуто чудових успіхів:
① Розробка нового типу люмінофора, збудженого синім світлодіодом (460 м), провела дослідження легування та модифікації YAO2Ce (YAG: Ce), який використовується в синіх світлодіодних чіпах для покращення світлової ефективності та передачі кольору;
② Розробка нових флуоресцентних порошків, збуджених ультрафіолетовим світлом (400 м) або ультрафіолетовим світлом (360 мм), систематично вивчала склад, структуру та спектральні характеристики червоних і зелених синіх флуоресцентних порошків, а також різні співвідношення трьох флуоресцентних порошків. отримати білий світлодіод з різними колірними температурами;
③ Проведено подальшу роботу над основними науковими питаннями процесу приготування флуоресцентного порошку, такими як вплив процесу приготування на флюс, щоб забезпечити якість і стабільність флуоресцентного порошку.
Крім того, світлодіод білого світла в основному використовує змішаний процес пакування флуоресцентного порошку та силікону. Через низьку теплопровідність флуоресцентного порошку пристрій буде нагріватися через тривалий час роботи, що призведе до старіння силікону та скорочення терміну служби пристрою. Ця проблема особливо серйозна для потужних світлодіодів білого світла. Дистанційне пакування є одним із способів вирішення цієї проблеми шляхом прикріплення флуоресцентного порошку до підкладки та відділення його від синього світлодіодного джерела світла, тим самим зменшуючи вплив тепла, що виділяється чіпом, на люмінесцентні характеристики флуоресцентного порошку. Якщо рідкоземельна флуоресцентна кераміка має високу теплопровідність, високу стійкість до корозії, високу стабільність і відмінну оптичну вихідну продуктивність, вона може краще відповідати вимогам застосування потужних білих світлодіодів з високою щільністю енергії. Мікронанопорошки з високою активністю спікання та високою дисперсністю стали важливою передумовою для приготування високопрозорої рідкоземельної оптичної функціональної кераміки з високою оптичною продуктивністю.
03. Рідкісноземельні люмінесцентні наноматеріали
Конверсійна люмінесценція — це особливий тип процесу люмінесценції, який характеризується поглинанням кількох фотонів низької енергії люмінесцентними матеріалами та генерацією випромінювання фотонів високої енергії. Порівняно з традиційними органічними молекулами барвників або квантовими точками рідкоземельні люмінесцентні наноматеріали мають багато переваг, таких як великий антистоксів зсув, вузька смуга випромінювання, хороша стабільність, низька токсичність, висока глибина проникнення в тканини та низькі спонтанні флуоресцентні перешкоди. Вони мають широкі перспективи застосування в біомедичній галузі.
За останні роки рідкоземельні люмінесцентні наноматеріали досягли значного прогресу в синтезі, модифікації поверхні, функціональності поверхні та біомедичному застосуванні. Люди покращують характеристики люмінесценції матеріалів шляхом оптимізації їх складу, фазового стану, розміру тощо на нанорозмірі та комбінування структури ядро/оболонка для зменшення центру гасіння люмінесценції, щоб збільшити ймовірність переходу. Шляхом хімічної модифікації створити технології з хорошою біосумісністю для зниження токсичності та розробити методи візуалізації для підвищення конверсії люмінесцентних живих клітин і in vivo; Розробити ефективні та безпечні методи біологічного з’єднання на основі потреб різних застосувань (клітини імунного виявлення, флуоресцентне зображення in vivo, фотодинамічна терапія, фототермічна терапія, ліки з фотоконтрольованим вивільненням тощо).
Це дослідження має величезний потенціал застосування та економічну вигоду, а також має важливе наукове значення для розвитку наномедицини, зміцнення здоров’я людини та соціального прогресу.
№ 2 Рідкоземельні наномагнітні матеріали
Рідкоземельні матеріали постійного магніту пройшли три етапи розвитку: SmCo5, Sm2Co7 і Nd2Fe14B. Як швидко загартований магнітний порошок NdFeB для зв’язаних матеріалів постійного магніту, розмір зерна коливається від 20 нм до 50 нм, що робить його типовим нанокристалічним рідкоземельним матеріалом постійного магніту.
Рідкоземельні наномагнітні матеріали мають характеристики малого розміру, однодоменної структури та високої коерцитивної сили. Використання матеріалів магнітного запису може покращити співвідношення сигнал/шум і якість зображення. Завдяки невеликим розмірам і високій надійності його використання в мікромоторних системах є важливим напрямком розвитку нового покоління авіаційних, аерокосмічних і морських двигунів. Для магнітної пам’яті, магнітної рідини, матеріалів гігантського магнітного опору продуктивність може бути значно покращена, завдяки чому пристрої стануть високопродуктивними та мініатюрними.
No3Рідкоземельні нанокаталітичні матеріали
Рідкоземельні каталітичні матеріали включають майже всі каталітичні реакції. Завдяки поверхневим ефектам, об’ємним ефектам і квантово-розмірним ефектам рідкоземельні нанотехнології все більше привертають увагу. У багатьох хімічних реакціях використовуються рідкоземельні каталізатори. Якщо використовувати рідкоземельні нанокаталізатори, каталітична активність і ефективність будуть значно покращені.
Рідкоземельні нанокаталізатори зазвичай використовуються для каталітичного крекінгу нафти та очищення автомобільних вихлопів. Найбільш часто використовуваними рідкоземельними нанокаталітичними матеріалами єCeO2іLa2O3, які можуть бути використані як каталізатори та промотори, а також як носії каталізатора.
№4Нано оксид церіюматеріал, що захищає від ультрафіолету
Нанооксид церію відомий як ультрафіолетовий ізоляційний агент третього покоління з хорошим ефектом ізоляції та високим коефіцієнтом пропускання. У косметиці нанооксид церію з низькою каталітичною активністю повинен використовуватися як УФ-ізолюючий агент. Таким чином, ринкова увага та визнання нанооксиду церію ультрафіолетових екрануючих матеріалів є високими. Постійне вдосконалення інтеграції інтегральних схем вимагає нових матеріалів для процесів виробництва мікросхем інтегральних схем. Нові матеріали мають вищі вимоги до полірувальних рідин, і напівпровідникові рідкоземельні полірувальні рідини повинні відповідати цій вимозі, маючи більшу швидкість полірування та менший об’єм полірування. Нанорідкісноземельні полірувальні матеріали мають широкий ринок.
Значне збільшення кількості автомобілів спричинило серйозне забруднення повітря, і встановлення каталізаторів очищення вихлопних газів автомобілів є найефективнішим способом контролю забруднення вихлопними газами. Наноцерій-цирконієві композитні оксиди відіграють важливу роль у покращенні якості очищення хвостового газу.
No.5 Інші нанофункціональні матеріали
01. Рідкоземельні нанокерамічні матеріали
Нанокерамічний порошок може значно знизити температуру спікання, яка на 200 ℃ ~ 300 ℃ нижча, ніж у ненанокерамічного порошку з таким самим складом. Додавання нано CeO2 до кераміки може знизити температуру спікання, пригнічувати зростання решітки та покращити щільність кераміки. Додавання рідкоземельних елементів, таких якY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2може запобігти високотемпературному фазовому перетворенню та окрихченню ZrO2, а також отримати загартовані керамічні конструкційні матеріали фазового перетворення ZrO2.
Електронна кераміка (електронні датчики, матеріали PTC, мікрохвильові матеріали, конденсатори, термістори тощо), виготовлені з використанням надтонких або нанорозмірних CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3, тощо мають покращені електричні, термічні та стабільні властивості.
Додавання рідкоземельних активованих фотокаталітичних композитних матеріалів до формули глазурі може приготувати рідкоземельну антибактеріальну кераміку.
02. Рідкоземельні нано тонкоплівкові матеріали
З розвитком науки й техніки вимоги до продуктивності продукції стають дедалі суворішими, вимагаючи надтонких, надтонких продуктів, надвисокої щільності та наднаповнення. Наразі розроблено три основні категорії рідкоземельних наноплівок: рідкоземельні комплексні наноплівки, рідкоземельні оксидні наноплівки та плівки з рідкоземельних наносплавів. Рідкоземельні наноплівки також відіграють важливу роль в інформаційній індустрії, каталізі, енергетиці, транспорті та медицині життя.
Висновок
Китай є великою країною з ресурсами рідкоземельних елементів. Розробка та застосування рідкоземельних наноматеріалів є новим способом ефективного використання рідкоземельних ресурсів. Для того, щоб розширити сферу застосування рідкоземельних матеріалів і сприяти розробці нових функціональних матеріалів, слід створити нову теоретичну систему в теорії матеріалів, щоб задовольнити потреби досліджень у нанорозмірі, зробити рідкоземельні наноматеріали кращими та сприяти появі можливих нових властивостей і функцій.
Час публікації: 29 травня 2023 р