Редкоземельные наноматериалы Редкоземельные элементы имеют уникальную электронную структуру подслоя 4f, большой атомный магнитный момент, сильную спин-орбитальную связь и другие характеристики, что приводит к очень богатым оптическим, электрическим, магнитным и другим свойствам.Они являются незаменимыми стратегическими материалами для стран всего мира, позволяющими преобразовать традиционные отрасли промышленности и развивать высокие технологии, и известны как «сокровищница новых материалов».
Помимо применения в традиционных областях, таких как металлургическое оборудование, нефтехимия, стеклокерамика и легкий текстиль,редкоземельные элементыОни также являются ключевыми вспомогательными материалами в новых областях, таких как чистая энергия, большие транспортные средства, новые энергетические транспортные средства, полупроводниковое освещение и новые дисплеи, тесно связанные с жизнью человека.
После десятилетий развития фокус исследований, связанных с редкоземельными элементами, соответственно сместился с выплавки и разделения отдельных редкоземельных элементов высокой чистоты на высокотехнологичное применение редкоземельных элементов в магнетизме, оптике, электричестве, хранении энергии, катализе, биомедицине, и другие поля.С одной стороны, в системе материалов наблюдается большая тенденция к использованию редкоземельных композиционных материалов;С другой стороны, с точки зрения морфологии он больше ориентирован на низкоразмерные функциональные кристаллические материалы.Особенно с развитием современной нанонауки, сочетающей эффекты малого размера, квантовые эффекты, поверхностные эффекты и интерфейсные эффекты наноматериалов с уникальными характеристиками структуры электронного слоя редкоземельных элементов, редкоземельные наноматериалы проявляют множество новых свойств, отличающихся от традиционных материалов, максимизируя превосходные характеристики редкоземельных материалов и дальнейшее расширение их применения в области традиционных материалов и нового высокотехнологичного производства.
В настоящее время существуют в основном следующие весьма перспективные редкоземельные наноматериалы, а именно редкоземельные нанолюминесцентные материалы, редкоземельные нанокаталитические материалы, редкоземельные наномагнитные материалы,нано оксид церияматериалы для защиты от ультрафиолета и другие нанофункциональные материалы.
№1Редкоземельные нанолюминесцентные материалы
01. Редкоземельные органо-неорганические гибридные люминесцентные наноматериалы
Композитные материалы объединяют различные функциональные единицы на молекулярном уровне для достижения взаимодополняющих и оптимизированных функций.Органический неорганический гибридный материал выполняет функции органических и неорганических компонентов, демонстрируя хорошую механическую стабильность, гибкость, термическую стабильность и отличную технологичность.
РедкоземельныйКомплексы имеют много преимуществ, таких как высокая чистота цвета, длительное время жизни возбужденного состояния, высокий квантовый выход и богатые линии спектра излучения.Они широко используются во многих областях, таких как дисплеи, усиление оптических волноводов, твердотельные лазеры, биомаркеры и борьба с подделками.Однако низкая фототермическая стабильность и плохая технологичность редкоземельных комплексов серьезно затрудняют их применение и продвижение.Объединение редкоземельных комплексов с неорганическими матрицами, обладающими хорошими механическими свойствами и стабильностью, является эффективным способом улучшения люминесцентных свойств редкоземельных комплексов.
С момента разработки редкоземельных органических неорганических гибридных материалов тенденции их развития демонстрируют следующие характеристики:
① Гибридный материал, полученный методом химического легирования, имеет стабильные активные компоненты, высокое количество легирования и равномерное распределение компонентов;
② Переход от однофункциональных материалов к многофункциональным, разработка многофункциональных материалов для расширения их применения;
③ Матрица разнообразна: от кремнезема до различных субстратов, таких как диоксид титана, органические полимеры, глины и ионные жидкости.
02. Белый светодиод из редкоземельного люминесцентного материала.
По сравнению с существующими технологиями освещения полупроводниковые осветительные продукты, такие как светодиоды (LED), имеют такие преимущества, как длительный срок службы, низкое энергопотребление, высокая светоотдача, отсутствие ртути, отсутствие УФ-излучения и стабильная работа.Они считаются «источником света четвертого поколения» после ламп накаливания, люминесцентных ламп и высокопрочных газоразрядных ламп (HID).
Белый светодиод состоит из чипов, подложек, люминофоров и драйверов.Флуоресцентный порошок редкоземельных элементов играет решающую роль в работе белого светодиода.В последние годы был проведен большой объем исследовательских работ по белым светодиодным люминофорам и достигнут отличный прогресс:
① При разработке нового типа люминофора, возбуждаемого синим светодиодом (460 м), были проведены исследования по легированию и модификации YAO2Ce (YAG: Ce), используемого в чипах синих светодиодов, для улучшения светоотдачи и цветопередачи;
② При разработке новых флуоресцентных порошков, возбуждаемых ультрафиолетовым светом (400 м) или ультрафиолетовым светом (360 мм), систематически изучались состав, структура и спектральные характеристики красного и зеленого синего флуоресцентных порошков, а также различные соотношения трех флуоресцентных порошков. получить белый светодиод с различной цветовой температурой;
③ Дальнейшая работа была проведена по основным научным вопросам процесса приготовления флуоресцентного порошка, таким как влияние процесса приготовления на флюс, для обеспечения качества и стабильности флуоресцентного порошка.
Кроме того, светодиоды белого света в основном используют смешанный процесс упаковки флуоресцентного порошка и силикона.Из-за плохой теплопроводности флуоресцентного порошка устройство будет нагреваться из-за длительного времени работы, что приведет к старению силикона и сокращению срока службы устройства.Эта проблема особенно серьезна для мощных светодиодов белого света.Дистанционная упаковка является одним из способов решения этой проблемы путем прикрепления флуоресцентного порошка к подложке и отделения его от источника света синего светодиода, тем самым уменьшая влияние тепла, выделяемого чипом, на люминесцентные характеристики флуоресцентного порошка.Если редкоземельная флуоресцентная керамика обладает характеристиками высокой теплопроводности, высокой коррозионной стойкости, высокой стабильности и превосходных оптических характеристик, она может лучше соответствовать требованиям применения мощных белых светодиодов с высокой плотностью энергии.Микронанопорошки с высокой спекающей активностью и высокой дисперсностью стали важной предпосылкой для получения высокопрозрачной редкоземельной оптической функциональной керамики с высокими оптическими характеристиками.
03. Редкоземельные люминесцентные наноматериалы с апконверсией
Ап-конверсионная люминесценция — это особый тип процесса люминесценции, характеризующийся поглощением множества фотонов низкой энергии люминесцентными материалами и генерацией излучения фотонов высокой энергии.По сравнению с традиционными молекулами органических красителей или квантовыми точками редкоземельные люминесцентные наноматериалы с ап-конверсией имеют много преимуществ, таких как большой антистоксовый сдвиг, узкая полоса излучения, хорошая стабильность, низкая токсичность, высокая глубина проникновения в ткани и низкая спонтанная флуоресцентная интерференция.Они имеют широкие перспективы применения в биомедицинской сфере.
В последние годы редкоземельные люминесцентные наноматериалы с ап-конверсией добились значительного прогресса в синтезе, модификации поверхности, функционализации поверхности и биомедицинских приложениях.Люди улучшают характеристики люминесценции материалов, оптимизируя их состав, фазовое состояние, размер и т. д. на наноуровне, а также комбинируя структуру ядро/оболочка для уменьшения центра тушения люминесценции и увеличения вероятности перехода.Путем химической модификации создать технологии с хорошей биосовместимостью для снижения токсичности и разработать методы визуализации люминесцентных живых клеток с повышением конверсии и in vivo;Разработать эффективные и безопасные методы биологического связывания, основанные на потребностях различных приложений (клетки для иммунного обнаружения, флуоресцентная визуализация in vivo, фотодинамическая терапия, фототермическая терапия, препараты с фотоконтролируемым высвобождением и т. д.).
Это исследование имеет огромный прикладной потенциал и экономическую выгоду, а также имеет важное научное значение для развития наномедицины, укрепления здоровья человека и социального прогресса.
№2 Редкоземельные наномагнитные материалы
Редкоземельные материалы для постоянных магнитов прошли три стадии развития: SmCo5, Sm2Co7 и Nd2Fe14B.В качестве быстрозакаленного магнитного порошка NdFeB для связанных материалов с постоянными магнитами размер зерен варьируется от 20 до 50 нм, что делает его типичным нанокристаллическим редкоземельным материалом для постоянных магнитов.
Редкоземельные наномагнитные материалы обладают характеристиками небольшого размера, однодоменной структуры и высокой коэрцитивной силы.Использование магнитных записывающих материалов позволяет улучшить соотношение сигнал/шум и качество изображения.Благодаря малым размерам и высокой надежности его использование в микромоторных системах является важным направлением разработки нового поколения авиационных, аэрокосмических и морских двигателей.Для магнитной памяти, магнитной жидкости и материалов с гигантским магнитосопротивлением производительность может быть значительно улучшена, благодаря чему устройства станут высокопроизводительными и миниатюрными.
№ 3Редкоземельные нанокаталитические материалы
Редкоземельные каталитические материалы участвуют почти во всех каталитических реакциях.Из-за поверхностных эффектов, объемных эффектов и квантово-размерных эффектов нанотехнологии редкоземельных элементов привлекают все больше внимания.Во многих химических реакциях используются редкоземельные катализаторы.Если использовать редкоземельные нанокатализаторы, каталитическая активность и эффективность будут значительно улучшены.
Нанокатализаторы редкоземельных элементов обычно используются при каталитическом крекинге нефти и очистке автомобильных выхлопов.Наиболее часто используемые редкоземельные нанокаталитические материалы:СеО2иLa2O3, которые можно использовать в качестве катализаторов и промоторов, а также носителей катализаторов.
№4Нанооксид церияматериал, защищающий от ультрафиолета
Нанооксид церия известен как агент, изолирующий ультрафиолет третьего поколения, с хорошим эффектом изоляции и высоким коэффициентом пропускания.В косметике наноцерий с низкой каталитической активностью необходимо использовать в качестве изолирующего от УФ-излучения агента.Таким образом, внимание рынка и признание наноматериалов для защиты от ультрафиолета на основе оксида церия высоки.Постоянное совершенствование интеграции интегральных схем требует новых материалов для процессов производства интегральных микросхем.Новые материалы предъявляют более высокие требования к полировальным жидкостям, а полировальные жидкости для полупроводниковых редкоземельных металлов должны соответствовать этому требованию, обеспечивая более высокую скорость полировки и меньший объем полировки.Нано-редкоземельные полировальные материалы имеют широкий рынок.
Значительное увеличение количества автомобилей привело к серьезному загрязнению воздуха, и установка катализаторов очистки выхлопных газов автомобилей является наиболее эффективным способом борьбы с загрязнением выхлопных газов.Нанокомпозитные оксиды церия и циркония играют важную роль в повышении качества очистки хвостовых газов.
№5 Другие нанофункциональные материалы
01. Редкоземельные нанокерамические материалы
Нанокерамический порошок может значительно снизить температуру спекания, которая на 200℃~300℃ ниже, чем у ненанокерамического порошка того же состава.Добавление нано-CeO2 в керамику может снизить температуру спекания, замедлить рост решетки и улучшить плотность керамики.Добавление редкоземельных элементов, таких какY2O3, СеО2, or La2O3 to ZrO2может предотвратить высокотемпературное фазовое превращение и охрупчивание ZrO2, а также получить упрочненные фазовым превращением ZrO2 керамические конструкционные материалы.
Электронная керамика (электронные датчики, материалы ПТК, микроволновые материалы, конденсаторы, термисторы и т. д.), приготовленная с использованием ультрадисперсного или наноразмерного CeO2, Y2O3,Nd2O3, См2О3и т. д. имеют улучшенные электрические, термические и стабильные свойства.
Добавление фотокаталитических композиционных материалов, активированных редкоземельными элементами, в формулу глазури позволяет получить антибактериальную керамику из редкоземельных элементов.
02.Редкоземельные нанотонкопленочные материалы
С развитием науки и техники требования к характеристикам продукции становятся все более строгими, требуя сверхтонких, сверхтонких, сверхвысокой плотности и сверхнаполнения продуктов.В настоящее время разработаны три основные категории нанопленок редкоземельных элементов: нанопленки редкоземельных комплексов, нанопленки оксидов редкоземельных элементов и пленки наносплавов редкоземельных элементов.Нанопленки редкоземельных элементов также играют важную роль в информационной индустрии, катализе, энергетике, транспорте и медицине.
Заключение
Китай является крупнейшей страной по запасам редкоземельных элементов.Разработка и применение редкоземельных наноматериалов — это новый способ эффективного использования редкоземельных ресурсов.Чтобы расширить сферу применения редкоземельных элементов и способствовать разработке новых функциональных материалов, в теории материалов необходимо создать новую теоретическую систему для удовлетворения потребностей исследований в наномасштабе, повысить производительность редкоземельных наноматериалов и способствовать появлению новых свойств и функций.
Время публикации: 29 мая 2023 г.