תכונות, יישום והכנה של תחמוצת איטריום

מבנה גבישי של תחמוצת איטריום

איטריום אוקסיד (Y₂O₃) היא תחמוצת אדמה נדירה לבנה שאינה מסיסה במים ובבסיס ומסיסה בחומצה. זוהי ססקיאוקסיד אדמה נדירה מסוג C טיפוסי בעל מבנה קובי ממורכז גוף.

טבלת פרמטרים גבישיים של Y₂O₃

דיאגרמת מבנה גבישי של Y₂O₃

תכונות פיזיקליות וכימיות של תחמוצת איטריום

(1) המסה המולרית היא 225.82 גרם/מול והצפיפות היא 5.01 גרם/סמ"ר³;

(2) נקודת התכה 2410℃, נקודת רתיחה 4300℃, יציבות תרמית טובה;

(3) יציבות פיזיקלית וכימית טובה ועמידות טובה בפני קורוזיה;

(4) המוליכות התרמית גבוהה, שיכולה להגיע ל-27 וואט/(MK) ב-300K, שהיא בערך פי שניים מהמוליכות התרמית של גארנט אלומיניום איטריום (Y₃Al₅O₁₂), דבר המועיל מאוד לשימושו כמדיום עבודה בלייזר;

(5) טווח השקיפות האופטית רחב (0.29~8 מיקרומטר), וההעברה התאורטית באזור הנראה יכולה להגיע ליותר מ-80%;

(6) אנרגיית הפונונים נמוכה, והשיא החזק ביותר של ספקטרום ראמאן ממוקם ב-377 ס"מ^-1, אשר מועיל להפחתת ההסתברות למעבר שאינו קרינה ולשיפור יעילות האור בהמרה כלפי מעלה;

(7) מתחת ל-2200℃י₂O₃היא פאזה קובית ללא שבירה כפולה. מקדם השבירה הוא 1.89 באורך גל של 1050 ננומטר. הופכת לפאזה משושה מעל 2200℃;

(8) פער האנרגיה של Y₂O₃רחב מאוד, עד 5.5eV, ורמת האנרגיה של יוני אדמה נדירה תלת-ערכיים זוהרים נמצאת בין פס הערכיות לפס ההולכה של Y₂O₃ומעל לרמת אנרגיית פרמי, ובכך יוצרים מרכזים זוהרים נפרדים.

(9) י₂O₃, כחומר מטריצה, יכול להכיל ריכוז גבוה של יוני אדמה נדירה תלת-ערכיים ולהחליף Y³⁺יונים מבלי לגרום לשינויים מבניים.

שימושים עיקריים של תחמוצת איטריום

תחמוצת איטריום, כחומר תוסף פונקציונלי, נמצאת בשימוש נרחב בתחומי האנרגיה האטומית, התעופה והחלל, הפלואורסצנציה, האלקטרוניקה, הקרמיקה המתקדמת וכן הלאה, בשל תכונותיה הפיזיקליות המצוינות כגון קבוע דיאלקטרי גבוה, עמידות טובה בחום ועמידות חזקה בפני קורוזיה.

מקור התמונה: רשת

1, כחומר מטריצת זרחן, הוא משמש בתחומי התצוגה, התאורה והסימון;

2, כחומר מדיום לייזר, ניתן להכין קרמיקה שקופה בעלת ביצועים אופטיים גבוהים, אשר ניתן להשתמש בה כמדיום עבודה בלייזר כדי לממש פלט לייזר בטמפרטורת החדר;

3, כחומר מטריצת זוהר מעלה-המרה, הוא משמש בזיהוי אינפרא אדום, תיוג פלואורסצנטי ותחומים אחרים;

4, עשוי קרמיקה שקופה, אשר ניתן להשתמש בה עבור עדשות גלויות ואינפרא אדום, צינורות מנורת פריקת גז בלחץ גבוה, נצנוצים קרמיים, חלונות תצפית תנור בטמפרטורה גבוהה וכו'.

5, ניתן להשתמש בו ככלי תגובה, חומר עמיד בטמפרטורה גבוהה, חומר עקשן וכו'.

6, כחומרי גלם או תוספים, הם נמצאים בשימוש נרחב גם בחומרים מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה, חומרי גביש לייזר, קרמיקה מבנית, חומרים קטליטיים, קרמיקה דיאלקטרית, סגסוגות בעלות ביצועים גבוהים ותחומים אחרים.

שיטת הכנה של אבקת איטריום אוקסיד

שיטת משקעים בפאזה נוזלית משמשת לעתים קרובות להכנת תחמוצות אדמה נדירות, הכוללת בעיקר שיטת משקעים של אוקסלט, שיטת משקעים של אמוניום ביקרבונט, שיטת הידרוליזה של אוריאה ושיטת משקעים של אמוניה. בנוסף, גרנולציה בהתזה היא גם שיטת הכנה שזוכה לתשומת לב רבה כיום. שיטת משקעים של מלח

1. שיטת משקעי אוקסלט

לתחמוצת אדמה נדירה המוכנה בשיטת שיקוע אוקסלט יש יתרונות של דרגת התגבשות גבוהה, צורת גביש טובה, מהירות סינון מהירה, תכולת זיהומים נמוכה ותפעול קל, וזוהי שיטה נפוצה להכנת תחמוצת אדמה נדירה בעלת טוהר גבוה בייצור תעשייתי.

שיטת משקעים של אמוניום ביקרבונט

2. שיטת משקעים של אמוניום ביקרבונט

אמוניום ביקרבונט הוא חומר משקע זול. בעבר, אנשים השתמשו לעתים קרובות בשיטת שיקוע אמוניום ביקרבונט כדי להכין קרבונט אדמה נדירה מעורב מתמיסת שטיפה של עפרת אדמה נדירה. כיום, תחמוצות אדמה נדירה מוכנות בשיטת שיקוע אמוניום ביקרבונט בתעשייה. באופן כללי, שיטת שיקוע אמוניום ביקרבונט היא הוספת אמוניום ביקרבונט מוצק או תמיסה לתמיסת כלוריד אדמה נדירה בטמפרטורה מסוימת. לאחר יישון, שטיפה, ייבוש וצריבה, מתקבלת תחמוצת. עם זאת, בשל מספר הבועות הרב שנוצרות במהלך שיקוע האמוניום ביקרבונט וערך ה-pH הלא יציב במהלך תגובת השיקוע, קצב ההתגרענות מהיר או איטי, דבר שאינו תורם לגדילת הגביש. על מנת להשיג תחמוצת עם גודל חלקיקים ומורפולוגיה אידיאליים, יש לשלוט בקפדנות בתנאי התגובה.

3. משקעי אוריאה

שיטת משקעי האוריאה נמצאת בשימוש נרחב בהכנת תחמוצת אדמה נדירה, שהיא לא רק זולה וקלה לתפעול, אלא גם בעלת פוטנציאל להשיג בקרה מדויקת על התגרענות קודמנים וצמיחת חלקיקים, ולכן שיטת משקעי האוריאה משכה לטובתם של יותר ויותר אנשים ומשכה כיום תשומת לב ומחקר נרחבים מצד חוקרים רבים.

4. גרגירי ריסוס

לטכנולוגיית גרנולציה בהתזה יתרונות של אוטומציה גבוהה, יעילות ייצור גבוהה ואיכות גבוהה של אבקה ירוקה, ולכן גרנולציה בהתזה הפכה לשיטת גרנולציה של אבקה נפוצה.

בשנים האחרונות, צריכת אדמה נדירה בתחומים מסורתיים לא השתנתה באופן מהותי, אך יישומן בחומרים חדשים גדל באופן ניכר. כחומר חדש, ננו Y₂O₃יש לו תחום יישומים רחב יותר. כיום, ישנן שיטות רבות להכנת ננו Y₂O₃חומרים, אשר ניתן לחלק לשלוש קטגוריות: שיטת הפאזה הנוזלית, שיטת הפאזה הגזית ושיטת הפאזה המוצקה, כאשר שיטת הפאזה הנוזלית היא הנפוצה ביותר. הם מחולקים לפירוליזה בהתזה, סינתזה הידרותרמית, מיקרואמולסיה, סול-ג'ל, סינתזת בעירה ומשקע. עם זאת, לננו-חלקיקי תחמוצת איטריום שעברו ספירואידציה יהיה שטח פנים סגולי גבוה יותר, אנרגיית פני שטח, נזילות ופיזור טובים יותר, אשר ראוי להתמקד בהם.