Vật liệu nano đất hiếm Các nguyên tố đất hiếm có cấu trúc điện tử lớp phụ 4f độc đáo, mô men từ nguyên tử lớn, khớp nối quỹ đạo quay mạnh và các đặc tính khác, dẫn đến các đặc tính quang, điện, từ và khác rất phong phú. Chúng là những vật liệu chiến lược không thể thiếu để các nước trên thế giới chuyển đổi các ngành công nghiệp truyền thống và phát triển công nghệ cao, được mệnh danh là “kho tàng vật liệu mới”.
Ngoài các ứng dụng của nó trong các lĩnh vực truyền thống như máy luyện kim, hóa dầu, gốm thủy tinh và dệt nhẹ,đất hiếmcũng là những vật liệu hỗ trợ quan trọng trong các lĩnh vực mới nổi như năng lượng sạch, phương tiện cỡ lớn, phương tiện sử dụng năng lượng mới, chiếu sáng bán dẫn và màn hình mới, liên quan mật thiết đến đời sống con người.
Sau nhiều thập kỷ phát triển, trọng tâm của nghiên cứu liên quan đến đất hiếm đã chuyển từ nấu chảy và tách các loại đất hiếm có độ tinh khiết cao sang các ứng dụng công nghệ cao của đất hiếm trong từ tính, quang học, điện, lưu trữ năng lượng, xúc tác, y sinh, và các lĩnh vực khác. Một mặt, có xu hướng lớn hơn về vật liệu composite đất hiếm trong hệ thống vật liệu; Mặt khác, nó tập trung nhiều hơn vào các vật liệu tinh thể chức năng chiều thấp về mặt hình thái. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học nano hiện đại, kết hợp các hiệu ứng kích thước nhỏ, hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng giao diện của vật liệu nano với đặc điểm cấu trúc lớp điện tử độc đáo của các nguyên tố đất hiếm, vật liệu nano đất hiếm thể hiện nhiều tính chất mới khác với vật liệu truyền thống, phát huy tối đa hiệu suất tuyệt vời của vật liệu đất hiếm, đồng thời mở rộng hơn nữa ứng dụng của nó trong lĩnh vực vật liệu truyền thống và sản xuất công nghệ cao mới.
Hiện nay, chủ yếu có các loại vật liệu nano đất hiếm có triển vọng cao sau đây, đó là vật liệu phát quang nano đất hiếm, vật liệu xúc tác nano đất hiếm, vật liệu từ tính nano đất hiếm,oxit nano xerivật liệu che chắn tia cực tím và các vật liệu chức năng nano khác.
số 1Vật liệu phát quang nano đất hiếm
01. Vật liệu nano phát quang lai hữu cơ-vô cơ đất hiếm
Vật liệu composite kết hợp các đơn vị chức năng khác nhau ở cấp độ phân tử để đạt được các chức năng bổ sung và tối ưu hóa. Vật liệu lai vô cơ hữu cơ có chức năng của các thành phần hữu cơ và vô cơ, cho thấy độ ổn định cơ học tốt, tính linh hoạt, ổn định nhiệt và khả năng xử lý tuyệt vời.
Đất hiếmcác phức chất có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như độ tinh khiết màu cao, tuổi thọ của trạng thái kích thích lâu dài, hiệu suất lượng tử cao và các vạch phổ phát xạ phong phú. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như màn hình hiển thị, khuếch đại ống dẫn sóng quang, laser trạng thái rắn, dấu ấn sinh học và chống hàng giả. Tuy nhiên, độ ổn định quang nhiệt thấp và khả năng xử lý kém của các phức đất hiếm cản trở nghiêm trọng việc ứng dụng và quảng bá chúng. Việc kết hợp các phức đất hiếm với các nền vô cơ có tính chất cơ lý tốt và ổn định là phương pháp hữu hiệu để nâng cao tính chất phát quang của các phức đất hiếm.
Kể từ khi phát triển vật liệu lai vô cơ hữu cơ đất hiếm, xu hướng phát triển của chúng thể hiện những đặc điểm sau:
① Vật liệu lai thu được bằng phương pháp pha tạp hóa học có thành phần hoạt tính ổn định, lượng pha tạp cao và phân bố đồng đều các thành phần;
② Chuyển đổi từ vật liệu đơn chức năng sang vật liệu đa chức năng, phát triển vật liệu đa chức năng để ứng dụng rộng rãi hơn;
③ Nền rất đa dạng, từ chủ yếu là silica đến các chất nền khác nhau như titan dioxide, polyme hữu cơ, đất sét và chất lỏng ion.
02. Vật liệu phát quang đất hiếm LED trắng
So với các công nghệ chiếu sáng hiện có, các sản phẩm chiếu sáng bán dẫn như điốt phát quang (LED) có những ưu điểm như tuổi thọ cao, tiêu thụ năng lượng thấp, hiệu suất phát sáng cao, không chứa thủy ngân, không chứa tia cực tím và hoạt động ổn định. Chúng được coi là “nguồn sáng thế hệ thứ tư” sau đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và đèn phóng điện khí cường độ cao (HID).
Đèn LED trắng bao gồm chip, chất nền, phốt pho và trình điều khiển. Bột huỳnh quang đất hiếm đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của đèn LED trắng. Trong những năm gần đây, một lượng lớn công việc nghiên cứu đã được thực hiện trên đèn LED phốt pho trắng và đã đạt được tiến bộ vượt bậc:
① Việc phát triển loại phốt pho mới được kích thích bởi đèn LED xanh lam (460m) đã tiến hành nghiên cứu pha tạp và biến đổi YAO2Ce (YAG: Ce) được sử dụng trong chip LED xanh lam để cải thiện hiệu suất ánh sáng và khả năng hiển thị màu sắc;
② Sự phát triển của các loại bột huỳnh quang mới được kích thích bằng ánh sáng cực tím (400m) hoặc tia cực tím (360mm) đã nghiên cứu một cách có hệ thống thành phần, cấu trúc và đặc tính quang phổ của bột huỳnh quang màu đỏ và xanh lục, cũng như các tỷ lệ khác nhau của ba loại bột huỳnh quang để thu được đèn LED trắng với nhiệt độ màu khác nhau;
③ Nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện về các vấn đề khoa học cơ bản trong quá trình chuẩn bị bột huỳnh quang, chẳng hạn như ảnh hưởng của quá trình chuẩn bị đến thông lượng, để đảm bảo chất lượng và độ ổn định của bột huỳnh quang.
Ngoài ra, đèn LED ánh sáng trắng chủ yếu áp dụng quy trình đóng gói hỗn hợp bột huỳnh quang và silicone. Do tính dẫn nhiệt của bột huỳnh quang kém, thiết bị sẽ nóng lên do thời gian làm việc kéo dài, dẫn đến silicone bị lão hóa và rút ngắn tuổi thọ của thiết bị. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng ở đèn LED ánh sáng trắng công suất cao. Đóng gói từ xa là một cách để giải quyết vấn đề này bằng cách gắn bột huỳnh quang vào đế và tách nó ra khỏi nguồn sáng LED xanh lam, từ đó làm giảm tác động của nhiệt do chip tạo ra đến hiệu suất phát quang của bột huỳnh quang. Nếu gốm huỳnh quang đất hiếm có đặc tính dẫn nhiệt cao, chống ăn mòn cao, độ ổn định cao và hiệu suất đầu ra quang học tuyệt vời, thì chúng có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu ứng dụng của đèn LED trắng công suất cao với mật độ năng lượng cao. Bột micro nano có hoạt tính thiêu kết cao và độ phân tán cao đã trở thành điều kiện tiên quyết quan trọng để chế tạo gốm chức năng quang học đất hiếm có độ trong suốt cao với hiệu suất quang học cao.
03.Vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đất hiếm
Phát quang đảo ngược là một loại quá trình phát quang đặc biệt được đặc trưng bởi sự hấp thụ nhiều photon năng lượng thấp bằng vật liệu phát quang và tạo ra sự phát xạ photon năng lượng cao. So với các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ hoặc chấm lượng tử truyền thống, vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đất hiếm có nhiều ưu điểm như khả năng chống dịch chuyển Stokes lớn, dải phát xạ hẹp, độ ổn định tốt, độc tính thấp, độ sâu thâm nhập mô cao và nhiễu huỳnh quang tự phát thấp. Họ có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh.
Trong những năm gần đây, vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đất hiếm đã đạt được tiến bộ đáng kể trong tổng hợp, biến đổi bề mặt, chức năng hóa bề mặt và ứng dụng y sinh. Người ta cải thiện hiệu suất phát quang của vật liệu bằng cách tối ưu hóa thành phần, trạng thái pha, kích thước, v.v. ở cấp độ nano và kết hợp cấu trúc lõi/vỏ để giảm trung tâm dập tắt phát quang, nhằm tăng xác suất chuyển tiếp. Bằng cải tiến hóa học, thiết lập các công nghệ có tính tương thích sinh học tốt để giảm độc tính, phát triển các phương pháp chụp ảnh đảo ngược tế bào sống phát quang và in vivo; Phát triển các phương pháp ghép sinh học hiệu quả và an toàn dựa trên nhu cầu của các ứng dụng khác nhau (tế bào phát hiện miễn dịch, hình ảnh huỳnh quang in vivo, liệu pháp quang động, liệu pháp quang nhiệt, thuốc giải phóng kiểm soát bằng ảnh, v.v.).
Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng và lợi ích kinh tế to lớn, đồng thời có ý nghĩa khoa học quan trọng đối với sự phát triển của y học nano, nâng cao sức khỏe con người và tiến bộ xã hội.
Vật liệu từ tính nano đất hiếm số 2
Vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm đã trải qua ba giai đoạn phát triển: SmCo5, Sm2Co7 và Nd2Fe14B. Là loại bột từ tính NdFeB được làm nguội nhanh dành cho vật liệu nam châm vĩnh cửu liên kết, kích thước hạt dao động từ 20nm đến 50nm, khiến nó trở thành vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm tinh thể nano điển hình.
Vật liệu nano từ đất hiếm có đặc điểm là kích thước nhỏ, cấu trúc miền đơn và độ kháng từ cao. Việc sử dụng vật liệu ghi từ tính có thể cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm và chất lượng hình ảnh. Do kích thước nhỏ và độ tin cậy cao, việc sử dụng nó trong các hệ thống động cơ vi mô là một hướng quan trọng để phát triển thế hệ động cơ hàng không, hàng không vũ trụ và hàng hải thế hệ mới. Đối với bộ nhớ từ, chất lỏng từ tính, vật liệu Kháng Magneto Khổng lồ, hiệu suất có thể được cải thiện đáng kể, khiến các thiết bị trở nên có hiệu suất cao và thu nhỏ.
Số 3Đất hiếm nanovật liệu xúc tác
Vật liệu xúc tác đất hiếm liên quan đến hầu hết các phản ứng xúc tác. Do hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng thể tích và hiệu ứng kích thước lượng tử, công nghệ nano đất hiếm ngày càng thu hút được sự chú ý. Trong nhiều phản ứng hóa học, chất xúc tác đất hiếm được sử dụng. Nếu sử dụng chất xúc tác nano đất hiếm thì hoạt tính và hiệu quả xúc tác sẽ được cải thiện rất nhiều.
Các chất xúc tác nano đất hiếm thường được sử dụng trong xử lý làm sạch và xử lý tinh chế khí thải ô tô bằng xúc tác dầu mỏ. Các vật liệu xúc tác nano đất hiếm được sử dụng phổ biến nhất làCeO2VàLa2O3, có thể được sử dụng làm chất xúc tác và chất xúc tác, cũng như chất mang xúc tác.
Số 4Nano xeri oxitvật liệu che chắn tia cực tím
Nano xeri oxit được biết đến là chất cách ly tia cực tím thế hệ thứ ba, có tác dụng cách ly tốt và độ truyền qua cao. Trong mỹ phẩm, nano ceria có hoạt tính xúc tác thấp phải được sử dụng làm chất cách ly tia cực tím. Do đó, sự chú ý và công nhận của thị trường đối với vật liệu che chắn tia cực tím nano xeri oxit rất cao. Sự cải tiến liên tục của tích hợp mạch tích hợp đòi hỏi phải có vật liệu mới cho quy trình sản xuất chip mạch tích hợp. Vật liệu mới có yêu cầu cao hơn về chất lỏng đánh bóng và chất lỏng đánh bóng đất hiếm bán dẫn cần đáp ứng yêu cầu này, với tốc độ đánh bóng nhanh hơn và khối lượng đánh bóng ít hơn. Vật liệu đánh bóng đất hiếm nano có thị trường rộng lớn.
Tỷ lệ sở hữu ô tô tăng đáng kể đã gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng và việc lắp đặt chất xúc tác lọc khí thải ô tô là cách hiệu quả nhất để kiểm soát ô nhiễm khí thải. Các oxit tổng hợp nano cerium zirconium đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng lọc khí đuôi.
Số 5 Vật liệu chức năng nano khác
01. Vật liệu gốm nano đất hiếm
Bột gốm nano có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ thiêu kết, thấp hơn 200oC ~ 300oC so với bột gốm không nano có cùng thành phần. Thêm nano CeO2 vào gốm sứ có thể làm giảm nhiệt độ thiêu kết, ức chế sự phát triển của mạng tinh thể và cải thiện mật độ của gốm sứ. Bổ sung các nguyên tố đất hiếm nhưY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2có thể ngăn chặn sự biến đổi pha ở nhiệt độ cao và sự giòn của ZrO2, đồng thời thu được vật liệu cấu trúc gốm cường lực chuyển đổi pha ZrO2.
Gốm điện tử (cảm biến điện tử, vật liệu PTC, vật liệu vi sóng, tụ điện, nhiệt điện trở, v.v.) được chế tạo bằng vật liệu siêu mịn hoặc nano CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3, v.v. đã cải thiện các đặc tính điện, nhiệt và độ ổn định.
Thêm vật liệu composite xúc tác quang hoạt hóa đất hiếm vào công thức men có thể tạo ra gốm kháng khuẩn bằng đất hiếm.
02.Vật liệu màng mỏng nano đất hiếm
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các yêu cầu về tính năng của sản phẩm ngày càng khắt khe, đòi hỏi sản phẩm phải siêu mịn, siêu mỏng, mật độ siêu cao và siêu lấp đầy. Hiện nay, có ba loại màng nano đất hiếm chính được phát triển: màng nano đất hiếm phức hợp, màng nano oxit đất hiếm và màng hợp kim nano đất hiếm. Màng nano đất hiếm còn đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thông tin, xúc tác, năng lượng, giao thông vận tải và y học đời sống.
Phần kết luận
Trung Quốc là nước lớn về tài nguyên đất hiếm. Việc phát triển và ứng dụng vật liệu nano đất hiếm là hướng đi mới để sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên đất hiếm. Để mở rộng phạm vi ứng dụng của đất hiếm và thúc đẩy phát triển các vật liệu chức năng mới, cần thiết lập một hệ thống lý thuyết mới về lý thuyết vật liệu để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu ở cấp độ nano, làm cho vật liệu nano đất hiếm có hiệu suất tốt hơn và tạo ra sự xuất hiện có thể có những đặc tính và chức năng mới.
Thời gian đăng: 29-05-2023