Nanomateriales de tierras raras
Nanomateriales de tierras raras Los elementos de tierras raras tienen una estructura electrónica de subcapa 4f única, un gran momento magnético atómico, un fuerte acoplamiento de órbita de espín y otras características, lo que da como resultado propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y de otro tipo muy ricas.Son materiales estratégicos indispensables para que los países de todo el mundo transformen las industrias tradicionales y desarrollen alta tecnología, y se les conoce como el "tesoro de los nuevos materiales".
Además de sus aplicaciones en campos tradicionales como maquinaria metalúrgica, petroquímica, vitrocerámica y textiles ligeros,tierras extrañasTambién son materiales de apoyo clave en campos emergentes como la energía limpia, los vehículos grandes, los vehículos de nueva energía, la iluminación de semiconductores y las nuevas pantallas, estrechamente relacionados con la vida humana.
Después de décadas de desarrollo, el foco de la investigación relacionada con las tierras raras ha pasado de la fundición y separación de tierras raras individuales de alta pureza a las aplicaciones de alta tecnología de las tierras raras en magnetismo, óptica, electricidad, almacenamiento de energía, catálisis, biomedicina, y otros campos.Por un lado, existe una mayor tendencia hacia los materiales compuestos de tierras raras en el sistema de materiales;Por otro lado, está más centrado en materiales cristalinos funcionales de baja dimensión en términos de morfología.Especialmente con el desarrollo de la nanociencia moderna, que combina los efectos de tamaño pequeño, los efectos cuánticos, los efectos de superficie y los efectos de interfaz de los nanomateriales con las características únicas de la estructura de capas electrónicas de los elementos de tierras raras, los nanomateriales de tierras raras exhiben muchas propiedades novedosas diferentes de los materiales tradicionales, maximizando el excelente rendimiento de los materiales de tierras raras y ampliar aún más su aplicación en los campos de los materiales tradicionales y la nueva fabricación de alta tecnología.
En la actualidad, existen principalmente los siguientes nanomateriales de tierras raras altamente prometedores, a saber, materiales nanoluminiscentes de tierras raras, materiales nanocatalíticos de tierras raras, materiales nanomagnéticos de tierras raras,nanoóxido de ceriomateriales de protección ultravioleta y otros materiales nanofuncionales.
No.1Materiales nanoluminiscentes de tierras raras
01. Nanomateriales luminiscentes híbridos orgánicos-inorgánicos de tierras raras
Los materiales compuestos combinan diferentes unidades funcionales a nivel molecular para conseguir funciones complementarias y optimizadas.El material híbrido orgánico inorgánico tiene las funciones de componentes orgánicos e inorgánicos, mostrando buena estabilidad mecánica, flexibilidad, estabilidad térmica y excelente procesabilidad.
Tierra extrañaLos complejos tienen muchas ventajas, como alta pureza de color, larga vida del estado excitado, alto rendimiento cuántico y ricas líneas espectrales de emisión.Se utilizan ampliamente en muchos campos, como visualización, amplificación de guías de ondas ópticas, láseres de estado sólido, biomarcadores y lucha contra la falsificación.Sin embargo, la baja estabilidad fototérmica y la escasa procesabilidad de los complejos de tierras raras dificultan seriamente su aplicación y promoción.La combinación de complejos de tierras raras con matrices inorgánicas con buenas propiedades mecánicas y estabilidad es una forma eficaz de mejorar las propiedades luminiscentes de los complejos de tierras raras.
Desde el desarrollo del material híbrido orgánico inorgánico de tierras raras, sus tendencias de desarrollo muestran las siguientes características:
① El material híbrido obtenido mediante el método de dopaje químico tiene componentes activos estables, una alta cantidad de dopaje y una distribución uniforme de los componentes;
② Transformar de materiales monofuncionales a materiales multifuncionales, desarrollar materiales multifuncionales para ampliar sus aplicaciones;
③ La matriz es diversa, desde principalmente sílice hasta diversos sustratos como dióxido de titanio, polímeros orgánicos, arcillas y líquidos iónicos.
02. Material luminiscente de tierras raras LED blanco
En comparación con las tecnologías de iluminación existentes, los productos de iluminación semiconductores, como los diodos emisores de luz (LED), tienen ventajas como una larga vida útil, bajo consumo de energía, alta eficiencia luminosa, libre de mercurio, libre de rayos UV y funcionamiento estable.Se consideran la "fuente de luz de cuarta generación" después de las lámparas incandescentes, las lámparas fluorescentes y las lámparas de descarga de gas (HID) de alta resistencia.
El LED blanco se compone de chips, sustratos, fósforos y controladores.El polvo fluorescente de tierras raras juega un papel crucial en el rendimiento del LED blanco.En los últimos años se han realizado numerosos trabajos de investigación sobre los fósforos LED blancos y se han logrado excelentes avances:
① El desarrollo de un nuevo tipo de fósforo excitado por LED azul (460 m) ha llevado a cabo investigaciones de dopaje y modificación del YAO2Ce (YAG: Ce) utilizado en chips de LED azules para mejorar la eficiencia de la luz y la reproducción cromática;
② El desarrollo de nuevos polvos fluorescentes excitados por luz ultravioleta (400 m) o luz ultravioleta (360 mm) ha estudiado sistemáticamente la composición, estructura y características espectrales de los polvos fluorescentes rojos y verdes y azules, así como las diferentes proporciones de los tres polvos fluorescentes. obtener LED blancos con diferentes temperaturas de color;
③ Se han llevado a cabo más trabajos sobre las cuestiones científicas básicas en el proceso de preparación de polvo fluorescente, como la influencia del proceso de preparación en el fundente, para garantizar la calidad y estabilidad del polvo fluorescente.
Además, los LED de luz blanca adoptan principalmente un proceso de envasado mixto de polvo fluorescente y silicona.Debido a la mala conductividad térmica del polvo fluorescente, el dispositivo se calentará debido al tiempo de trabajo prolongado, lo que provocará el envejecimiento de la silicona y acortará la vida útil del dispositivo.Este problema es particularmente grave en los LED de luz blanca de alta potencia.El empaquetado remoto es una forma de resolver este problema uniendo polvo fluorescente al sustrato y separándolo de la fuente de luz LED azul, reduciendo así el impacto del calor generado por el chip en el rendimiento luminiscente del polvo fluorescente.Si las cerámicas fluorescentes de tierras raras tienen las características de alta conductividad térmica, alta resistencia a la corrosión, alta estabilidad y excelente rendimiento de salida óptica, pueden cumplir mejor los requisitos de aplicación de LED blancos de alta potencia con alta densidad de energía.Los micro nanopolvos con alta actividad de sinterización y alta dispersión se han convertido en un requisito previo importante para la preparación de cerámicas funcionales ópticas de tierras raras de alta transparencia con un alto rendimiento de salida óptica.
03.Nanomateriales luminiscentes de conversión ascendente de tierras raras
La luminiscencia de conversión ascendente es un tipo especial de proceso de luminiscencia caracterizado por la absorción de múltiples fotones de baja energía por materiales luminiscentes y la generación de emisión de fotones de alta energía.En comparación con las moléculas de tintes orgánicos tradicionales o los puntos cuánticos, los nanomateriales luminiscentes de conversión ascendente de tierras raras tienen muchas ventajas, como un gran desplazamiento anti-Stokes, una banda de emisión estrecha, buena estabilidad, baja toxicidad, alta profundidad de penetración en los tejidos y baja interferencia de fluorescencia espontánea.Tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo biomédico.
En los últimos años, los nanomateriales luminiscentes de conversión ascendente de tierras raras han logrado avances significativos en síntesis, modificación de superficies, funcionalización de superficies y aplicaciones biomédicas.Las personas mejoran el rendimiento de luminiscencia de los materiales optimizando su composición, estado de fase, tamaño, etc. a nanoescala, y combinando la estructura núcleo/cubierta para reducir el centro de extinción de luminiscencia, con el fin de aumentar la probabilidad de transición.Mediante modificación química, establecer tecnologías con buena biocompatibilidad para reducir la toxicidad y desarrollar métodos de obtención de imágenes para la conversión ascendente de células vivas luminiscentes e in vivo;Desarrollar métodos de acoplamiento biológico eficientes y seguros basados en las necesidades de diferentes aplicaciones (células de detección inmune, imágenes de fluorescencia in vivo, terapia fotodinámica, terapia fototérmica, fármacos de liberación fotocontrolada, etc.).
Este estudio tiene un enorme potencial de aplicación y beneficios económicos, y tiene una importante importancia científica para el desarrollo de la nanomedicina, la promoción de la salud humana y el progreso social.
No.2 Materiales nanomagnéticos de tierras raras
Los materiales de imanes permanentes de tierras raras han pasado por tres etapas de desarrollo: SmCo5, Sm2Co7 y Nd2Fe14B.Como polvo magnético de NdFeB de enfriamiento rápido para materiales magnéticos permanentes adheridos, el tamaño del grano varía de 20 nm a 50 nm, lo que lo convierte en un material típico de imán permanente nanocristalino de tierras raras.
Los materiales nanomagnéticos de tierras raras tienen las características de tamaño pequeño, estructura de dominio único y alta coercitividad.El uso de materiales de grabación magnéticos puede mejorar la relación señal-ruido y la calidad de la imagen.Debido a su pequeño tamaño y alta confiabilidad, su uso en sistemas de micromotores es una dirección importante para el desarrollo de la nueva generación de motores aeronáuticos, aeroespaciales y marinos.Para la memoria magnética, el fluido magnético y los materiales de resistencia magneto gigante, el rendimiento se puede mejorar considerablemente, haciendo que los dispositivos se vuelvan miniaturizados y de alto rendimiento.
Numero 3Nano tierras rarasmateriales catalíticos
Los materiales catalíticos de tierras raras implican casi todas las reacciones catalíticas.Debido a los efectos de superficie, los efectos de volumen y los efectos de tamaño cuántico, la nanotecnología de tierras raras ha atraído cada vez más atención.En muchas reacciones químicas se utilizan catalizadores de tierras raras.Si se utilizan nanocatalizadores de tierras raras, la actividad catalítica y la eficiencia mejorarán enormemente.
Los nanocatalizadores de tierras raras se utilizan generalmente en el craqueo catalítico del petróleo y en el tratamiento de purificación de los gases de escape de los automóviles.Los materiales nanocatalíticos de tierras raras más utilizados sonCeO2yLa2O3, que pueden usarse como catalizadores y promotores, así como también como portadores de catalizadores.
No. 4Nanoóxido de ceriomaterial de protección ultravioleta
El nanoóxido de cerio se conoce como el agente de aislamiento ultravioleta de tercera generación, con buen efecto de aislamiento y alta transmitancia.En cosmética, se debe utilizar nanoceria de baja actividad catalítica como agente aislante de los rayos UV.Por lo tanto, la atención y el reconocimiento del mercado de los materiales de protección ultravioleta de nanoóxido de cerio son altos.La mejora continua de la integración de circuitos integrados requiere nuevos materiales para los procesos de fabricación de chips de circuitos integrados.Los nuevos materiales tienen requisitos más altos para los fluidos de pulido, y los fluidos de pulido de tierras raras para semiconductores deben cumplir con este requisito, con una velocidad de pulido más rápida y un menor volumen de pulido.Los materiales de pulido de tierras nano raras tienen un amplio mercado.
El aumento significativo de la propiedad de automóviles ha provocado una grave contaminación del aire, y la instalación de catalizadores de purificación de los gases de escape de los automóviles es la forma más eficaz de controlar la contaminación de los gases de escape.Los óxidos compuestos de nanocerio y circonio desempeñan un papel importante en la mejora de la calidad de la purificación de los gases de cola.
No.5 Otros materiales nano funcionales
01. Materiales nanocerámicos de tierras raras.
El polvo nanocerámico puede reducir significativamente la temperatura de sinterización, que es entre 200 ℃ y 300 ℃ más baja que la del polvo no nanocerámico con la misma composición.Agregar nano CeO2 a las cerámicas puede reducir la temperatura de sinterización, inhibir el crecimiento de la red y mejorar la densidad de las cerámicas.Añadiendo elementos de tierras raras comoY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2puede prevenir la transformación de fase a alta temperatura y la fragilización del ZrO2, y obtener materiales estructurales cerámicos endurecidos por transformación de fase ZrO2.
Cerámicas electrónicas (sensores electrónicos, materiales PTC, materiales de microondas, condensadores, termistores, etc.) preparadas utilizando CeO2, Y2O3, ultrafino o nanométrico.Nd2O3, Sm2O3, etc. tienen propiedades eléctricas, térmicas y de estabilidad mejoradas.
Agregar materiales compuestos fotocatalíticos activados por tierras raras a la fórmula del esmalte puede preparar cerámicas antibacterianas de tierras raras.
02. Materiales de película nanofina de tierras raras
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los requisitos de rendimiento de los productos son cada vez más estrictos y requieren productos ultrafinos, ultrafinos, de densidad ultraalta y ultrarellenos.Actualmente, se han desarrollado tres categorías principales de nanopelículas de tierras raras: nanopelículas de complejos de tierras raras, nanopelículas de óxido de tierras raras y películas de nanoaleaciones de tierras raras.Las nanopelículas de tierras raras también desempeñan un papel importante en la industria de la información, la catálisis, la energía, el transporte y la medicina biológica.
Conclusión
China es un país importante en recursos de tierras raras.El desarrollo y la aplicación de nanomateriales de tierras raras es una nueva forma de utilizar eficazmente los recursos de tierras raras.Para ampliar el alcance de aplicación de las tierras raras y promover el desarrollo de nuevos materiales funcionales, se debe establecer un nuevo sistema teórico en teoría de materiales para satisfacer las necesidades de investigación a nanoescala, hacer que los nanomateriales de tierras raras tengan un mejor rendimiento y facilitar la aparición. de nuevas propiedades y funciones posibles.
Hora de publicación: 29 de mayo de 2023