Nanomateriais de terras raras Os elementos de terras raras teñen unha estrutura electrónica de subcapa 4f única, un gran momento magnético atómico, un forte acoplamento de órbita de spin e outras características, o que resulta en propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas e outras moi ricas.Son materiais estratéxicos indispensables para que os países de todo o mundo transformen as industrias tradicionais e desenvolvan alta tecnoloxía, e son coñecidos como a "casa do tesouro dos novos materiais".
Ademais das súas aplicacións en campos tradicionais como maquinaria metalúrxica, petroquímica, vitrocerámica e téxtil lixeiro,terras rarastamén son materiais de apoio fundamentais en campos emerxentes como a enerxía limpa, os vehículos grandes, os vehículos de nova enerxía, a iluminación de semicondutores e as novas pantallas, moi relacionadas coa vida humana.
Despois de décadas de desenvolvemento, o foco da investigación relacionada coas terras raras pasou, en consecuencia, da fundición e separación de terras raras de alta pureza ás aplicacións de alta tecnoloxía das terras raras en magnetismo, óptica, electricidade, almacenamento de enerxía, catálise, biomedicina, e outros campos.Por unha banda, hai unha maior tendencia cara a materiais compostos de terras raras no sistema de materiais;Por outra banda, está máis centrado nos materiais cristalinos funcionais de baixa dimensión en canto á morfoloxía.Especialmente co desenvolvemento da nanociencia moderna, que combina os efectos de pequeno tamaño, os efectos cuánticos, os efectos de superficie e os efectos de interface dos nanomateriais coas características únicas da estrutura electrónica de capas dos elementos de terras raras, os nanomateriais de terras raras presentan moitas propiedades novedosas diferentes dos materiais tradicionais, maximizando ao máximo. o excelente rendemento dos materiais de terras raras e ampliar aínda máis a súa aplicación nos campos dos materiais tradicionais e da nova fabricación de alta tecnoloxía.
Na actualidade, existen principalmente os seguintes nanomateriais de terras raras moi prometedores, a saber, materiais nanoluminiscentes de terras raras, materiais nanocatalíticos de terras raras, materiais nanomagnéticos de terras raras,nano óxido de ceriomateriais de protección ultravioleta e outros materiais nanofuncionais.
No.1Materiais nanoluminiscentes de terras raras
01. Nanomateriais luminiscentes híbridos orgánicos-inorgánicos de terras raras
Os materiais compostos combinan diferentes unidades funcionais a nivel molecular para conseguir funcións complementarias e optimizadas.O material híbrido inorgánico orgánico ten as funcións de compoñentes orgánicos e inorgánicos, mostrando unha boa estabilidade mecánica, flexibilidade, estabilidade térmica e excelente procesabilidade.
Terra raraOs complexos teñen moitas vantaxes, como a pureza da cor elevada, a longa vida do estado excitado, o alto rendemento cuántico e as liñas de espectro de emisión ricas.Son amplamente utilizados en moitos campos, como a pantalla, a amplificación de guías de ondas ópticas, láseres de estado sólido, biomarcadores e antifalsificación.Non obstante, a baixa estabilidade fototérmica e a mala procesabilidade dos complexos de terras raras dificultan seriamente a súa aplicación e promoción.A combinación de complexos de terras raras con matrices inorgánicas con boas propiedades mecánicas e estabilidade é unha forma eficaz de mellorar as propiedades luminiscentes dos complexos de terras raras.
Desde o desenvolvemento do material híbrido orgánico inorgánico de terras raras, as súas tendencias de desenvolvemento mostran as seguintes características:
① O material híbrido obtido polo método de dopaxe químico ten compoñentes activos estables, alta cantidade de dopaxe e distribución uniforme dos compoñentes;
② Transformación de materiais funcionais únicos a materiais multifuncionais, desenvolvendo materiais multifuncionais para facer as súas aplicacións máis extensas;
③ A matriz é diversa, desde principalmente sílice ata diversos substratos como dióxido de titanio, polímeros orgánicos, arxilas e líquidos iónicos.
02. LED branco material luminiscente de terras raras
En comparación coas tecnoloxías de iluminación existentes, os produtos de iluminación de semicondutores como os díodos emisores de luz (LED) teñen vantaxes como unha longa vida útil, baixo consumo de enerxía, alta eficiencia luminosa, sen mercurio, sen UV e funcionamento estable.Considéranse a "fonte de luz de cuarta xeración" despois das lámpadas incandescentes, fluorescentes e de descarga de gas (HID) de alta resistencia.
O LED branco está composto por chips, substratos, fósforos e controladores.O po fluorescente de terras raras xoga un papel crucial no rendemento do LED branco.Nos últimos anos realizouse unha gran cantidade de traballos de investigación sobre fósforos LED brancos e conseguiuse un excelente progreso:
① O desenvolvemento dun novo tipo de fósforo excitado por LED azul (460 m) levou a cabo investigacións de dopaxe e modificación sobre YAO2Ce (YAG: Ce) usado en chips LED azuis para mellorar a eficiencia da luz e a reprodución da cor;
② O desenvolvemento de novos po fluorescentes excitados por luz ultravioleta (400 m) ou luz ultravioleta (360 mm) estudou sistemáticamente a composición, estrutura e características espectrais dos po fluorescente vermello e verde azul, así como as diferentes proporcións dos tres po fluorescente. para obter LED branco con diferentes temperaturas de cor;
③ Realizouse traballo adicional sobre as cuestións científicas básicas no proceso de preparación do po fluorescente, como a influencia do proceso de preparación no fluxo, para garantir a calidade e estabilidade do po fluorescente.
Ademais, o LED de luz branca adopta principalmente un proceso de envasado mixto de po fluorescente e silicona.Debido á baixa condutividade térmica do po fluorescente, o dispositivo quentarase debido ao tempo de traballo prolongado, provocando o envellecemento da silicona e acurtando a vida útil do dispositivo.Este problema é particularmente grave nos LED de luz branca de alta potencia.O envasado remoto é unha forma de resolver este problema unindo po fluorescente ao substrato e separándoo da fonte de luz LED azul, reducindo así o impacto da calor xerada polo chip no rendemento luminiscente do po fluorescente.Se as cerámicas fluorescentes de terras raras teñen as características de alta condutividade térmica, alta resistencia á corrosión, alta estabilidade e excelente rendemento de saída óptica, poden cumprir mellor os requisitos de aplicación de LED branco de alta potencia con alta densidade de enerxía.Os micro nano po con alta actividade de sinterización e alta dispersión convertéronse nun requisito previo importante para a preparación de cerámicas funcionais ópticas de terras raras de alta transparencia con alto rendemento óptico.
03. Nanomateriais luminiscentes de conversión ascendente de terras raras
A luminiscencia de conversión ascendente é un tipo especial de proceso de luminiscencia caracterizado pola absorción de múltiples fotóns de baixa enerxía por materiais luminiscentes e a xeración de emisión de fotóns de alta enerxía.En comparación coas moléculas de colorantes orgánicos tradicionais ou os puntos cuánticos, os nanomateriais luminiscentes de conversión ascendente de terras raras teñen moitas vantaxes, como un gran desprazamento anti Stokes, banda de emisión estreita, boa estabilidade, baixa toxicidade, gran profundidade de penetración no tecido e baixa interferencia espontánea de fluorescencia.Teñen amplas perspectivas de aplicación no ámbito biomédico.
Nos últimos anos, os nanomateriais luminiscentes de conversión ascendente de terras raras fixeron un progreso significativo na síntese, modificación de superficies, funcionalización da superficie e aplicacións biomédicas.A xente mellora o rendemento da luminiscencia dos materiais optimizando a súa composición, estado de fase, tamaño, etc. a nanoescala e combinando a estrutura núcleo/concha para reducir o centro de extinción da luminiscencia, co fin de aumentar a probabilidade de transición.Mediante a modificación química, establecer tecnoloxías cunha boa biocompatibilidade para reducir a toxicidade e desenvolver métodos de imaxe para células vivas luminiscentes de conversión ascendente e in vivo;Desenvolver métodos de acoplamento biolóxico eficientes e seguros baseados nas necesidades de diferentes aplicacións (células de detección inmune, imaxes de fluorescencia in vivo, terapia fotodinámica, terapia fototérmica, fármacos de liberación fotocontrolada, etc.).
Este estudo ten un enorme potencial de aplicación e beneficios económicos, e ten unha importancia científica importante para o desenvolvemento da nanomedicina, a promoción da saúde humana e o progreso social.
No.2 Materiais nanomagnéticos de terras raras
Os materiais de imán permanente de terras raras pasaron por tres etapas de desenvolvemento: SmCo5, Sm2Co7 e Nd2Fe14B.Como un po magnético NdFeB de extinción rápida para materiais de imán permanente unidos, o tamaño do gran varía de 20 nm a 50 nm, o que o converte nun material de imán permanente nanocristalino típico de terras raras.
Os materiais nanomagnéticos de terras raras teñen as características de pequeno tamaño, estrutura de dominio único e alta coercitividade.O uso de materiais de gravación magnética pode mellorar a relación sinal-ruído e a calidade da imaxe.Debido ao seu pequeno tamaño e alta fiabilidade, o seu uso en sistemas de micromotores é unha dirección importante para o desenvolvemento da nova xeración de motores aeronáuticos, aeroespaciais e mariños.Para a memoria magnética, fluído magnético, materiais de resistencia ao magneto xigante, o rendemento pódese mellorar moito, facendo que os dispositivos sexan de alto rendemento e miniaturizados.
No.3Nano de terras rarasmateriais catalíticos
Os materiais catalíticos de terras raras implican case todas as reaccións catalíticas.Debido aos efectos de superficie, efectos de volume e efectos de tamaño cuántico, a nanotecnoloxía de terras raras chama cada vez máis a atención.En moitas reaccións químicas utilízanse catalizadores de terras raras.Se se usan nanocatalizadores de terras raras, a actividade catalítica e a eficiencia melloraranse moito.
Os nanocatalizadores de terras raras úsanse xeralmente no tratamento de craqueo catalítico e purificación de gases de escape de automóbiles.Os materiais nanocatalíticos de terras raras máis utilizados sonCeO2eLa2O3, que se poden usar como catalizadores e promotores, así como como portadores de catalizadores.
No.4Nano óxido de ceriomaterial de protección ultravioleta
O nano óxido de cerio é coñecido como o axente de illamento ultravioleta de terceira xeración, cun bo efecto de illamento e alta transmitancia.En cosméticos, a nanoceria de baixa actividade catalítica debe usarse como axente illante UV.Polo tanto, a atención do mercado e o recoñecemento dos materiais de protección ultravioleta de nanoóxido de cerio son altos.A mellora continua da integración de circuítos integrados require novos materiais para os procesos de fabricación de chips de circuítos integrados.Os novos materiais teñen requisitos máis altos para os fluídos de pulido e os fluídos de pulido de terras raras de semicondutores deben cumprir este requisito, cunha velocidade de pulido máis rápida e un volume de pulido menor.Os materiais de pulido de terras raras nano teñen un amplo mercado.
O aumento significativo da propiedade de coches provocou unha grave contaminación do aire e a instalación de catalizadores de purificación de gases de escape é a forma máis eficaz de controlar a contaminación dos gases de escape.Os óxidos compostos de nanocerio e circonio xogan un papel importante na mellora da calidade da purificación do gas de cola.
No.5 Outros materiais nanofuncionais
01. Materiais nanocerámicos de terras raras
O po de cerámica nano pode reducir significativamente a temperatura de sinterización, que é 200 ℃ ~ 300 ℃ máis baixa que a do po de cerámica non nano coa mesma composición.Engadir nano CeO2 á cerámica pode reducir a temperatura de sinterización, inhibir o crecemento da rede e mellorar a densidade da cerámica.Engadindo elementos de terras raras comoY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2pode evitar a transformación de fase a alta temperatura e a fragilización de ZrO2 e obter materiais estruturais cerámicos endurecidos de transformación de fase de ZrO2.
Cerámicas electrónicas (sensores electrónicos, materiais PTC, materiais de microondas, capacitores, termistores, etc.) preparadas utilizando CeO2, Y2O3, ultrafino ou a nanoescala,Nd2O3, Sm2O3, etc. teñen propiedades eléctricas, térmicas e de estabilidade melloradas.
Engadir materiais compostos fotocatalíticos activados con terras raras á fórmula do esmalte pode preparar cerámicas antibacterianas de terras raras.
02.Materiais de película fina nano terras raras
Co desenvolvemento da ciencia e da tecnoloxía, os requisitos de rendemento dos produtos son cada vez máis estritos, que requiren produtos ultrafinos, ultrafinos, de ultra alta densidade e ultra-recheo de produtos.Actualmente, hai tres categorías principais de nanopelículas de terras raras desenvolvidas: nanopelículas complexas de terras raras, nanopelículas de óxido de terras raras e películas de nanoaliaxe de terras raras.Os nanofilmes de terras raras tamén xogan un papel importante na industria da información, a catálise, a enerxía, o transporte e a medicina vital.
Conclusión
China é un país importante en recursos de terras raras.O desenvolvemento e aplicación de nanomateriais de terras raras é unha nova forma de utilizar eficazmente os recursos de terras raras.Co fin de ampliar o ámbito de aplicación das terras raras e promover o desenvolvemento de novos materiais funcionais, débese establecer un novo sistema teórico na teoría de materiais para satisfacer as necesidades de investigación a nanoescala, facer que os nanomateriais de terras raras teñan un mellor rendemento e facer que aparezan. de novas propiedades e funcións posibles.
Hora de publicación: 29-maio-2023