59 镨 源自“绿色”的稀土元素

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59 镨源自“绿色”的稀土元素

2019/5/7
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Author: Peng Li1,424views　■

本文作者漂泊

镨是一种重要的稀土金属元素，它的本意是“绿色”，因为镨暴露在空气时易形成一种绿色的氧化物。镨是制造永磁材料的重要元素，也是光纤放大器的重要掺杂元素。

镨的基本物理性质

分类	第ⅢB族▪金属（镧系元素）
原子序号・原子量	59(140.908)
电子配置	4f³6s²
密度	6.773g/cm ³
熔点	931°C
沸点	3520°C
色・形状	银白色金属
丰度	9.5ppm（地壳）
发现者	Carl Auer von Welsbach
主要的同位素	¹⁴¹Pr
用途例	永磁电机、光纤放大器、磨料
前后的元素	铈-镨-钕

镨的发现

1751年，瑞典矿物学家Axel Fredrik Cronstedt在Bastnäs的矿山发现了一种矿物，这种矿物后来命名为Cerite。三十年后，15岁的Vilhelm Hisinger，Cerite矿山所有者的儿子，将Cerite的样品寄给了Carl Scheele这位著名的瑞典化学家进行分析，但是Scheele并没有在在这种矿物中找到任何新元素。

1803年，在Hisinger成为铁匠后，他与JönsJacobBerzelius一起重新研究了Cerite矿，在从这种矿物中并分离出了一种新的氧化物，他们用两年前发现的矮行星 Ceres的名字将这种氧化物命名为二氧化铈。在1839-1843年，瑞典化学家 Carl Gustaf Mosander证明氧化铈是多种氧化物的混合物，这意味着该混合物中可能还含有未知的新元素。后来他成功的从这个混合物体系中分离出了镧和didymium（镨钕混合物）。

1885年奥地利化学家Carl Auer von Welsbach又从didymium中分离出了新元素的氧化物，他将这种新元素命名为Preseodidymium，由Praseo（绿色）和didymium（钕镨混合物）组成，因为这种元素的盐（Pr₂O₃）是绿色的。这个元素的名称后来简化成Praseodymium。译为镨，元素符号是Pr。^[1-4]

金属镨

永磁材料

永磁材料又称“硬磁材料”，它是指一经磁化便能保持恒定磁性的材料。而稀土永磁材料则是当今最热门的稀土应用领域。稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机具有很多的优点。由于稀土永磁电机没有激磁线圈与铁心，因而磁体体积较原来磁场极所占空间小，且没有损耗，不发热，因此为得到同样输出功率，电机整机的重量可减小30%以上。永磁电机主要应用在汽车、办公自动化设备和家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。

镨作为一种重要的稀土元素，在永磁材料领域也具有非常重要的地位。镨单独用作永磁材料的性能并不突出，但它却是一个能改善磁性能的优秀协同元素。无论是第一代稀土永磁材料钐钴永磁合金，还是第三代稀土永磁材料钕铁硼，加入适量的镨都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo₅中加入部分Pr取代Sm可以提高永磁材料的磁能积，两者的比例一般为80%Sm/20%Pr，若镨加入过多反而会降低材料的矫顽力和稳定性。在第三代稀土永磁材料钕铁硼中，添加镨可以提高材料的矫顽力，镨的加入量为5%～8%，最高达10%，可取代1/3的钕。除此之外，加入镨还能提高磁体抗氧化性能和机械性能，已被广泛应用于各类电子器件和马达上。^[5-6]

镨永磁电机

掺镨光纤放大器

光纤放大器是一种对光纤传输系统中的光信号进行直接在线光放大的器件。它不仅结构简单，与系统连接方便,而且它的耦合效率和能力转换效率高，有很大的带宽潜力。另外，由于光纤介质的激光损耗阈值远大于半导体材料，因此光纤放大器可用来取代光纤通信系统中传统的电子中继器或作为接收机的前置放大器，以提高接收机的灵敏度和信噪比，增加通信距离。目前的光纤放大器主要有4种：消逝波耦合光纤放大器、晶体光纤放大器、受激散射光纤放大器、稀土掺杂光纤放大器。

掺镨光纤放大器（PDFA）是一种在1300~1360nm谱区起放大作用的稀土掺杂光纤放大器，是一种技术成熟、性价比优异的光纤放大器，在光纤有线电视的兴建改造与系统升级有等领域有着非常好的应用前景。PDFA的原理是这样的：Pr能级结构在G和H间的跃迁在1300nm为中心的很宽的窗口内提供增益。基态H上的粒子可直接被泵浦激发至上能级G，泵浦带较宽（FWHM约为50nm），中心波长在1017nm处。G到H跃迁产生的增益以波长1310nm为中心，而在G和H间仍存在很强的1050nmASE。另外，G到D的跃迁产生了一个峰值在1380nm波长附近的激发态吸收带，其短波长延伸至1290nm，限制了放大器的性能；而放大器的长波长部分则受到峰值位于1440nm波长处的基态吸收（GSA）的影响，将波长大于1290nm的信号吸收。PDFA通过泵浦光源让掺在光纤中的镨吸收泵浦光的能量，使镨处在高能状态，当光纤通过信号光时，产生共鸣，使信号吸收镨的能量，光信号得到放大而输出，实现光信号的放大。^[7-9]

掺镨光纤放大器

镨的其他应用

镨作为用量较大的稀土元素，很大一部分是以混合稀土的形式被利用，比如用作金属材料的净化变质剂以及化工催化剂。如以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂，这种催化剂与未加入稀土元素的原催化剂相比，其活性、选择性和稳定性均有提高。除此之外，镨还能用作塑料改性添加剂，在聚四氟乙烯（PTFE）中加入镨钕富集物，可明显提高PTFE的耐磨性能。

镨还可用于研磨和抛光材料。含镨的稀土抛光粉会呈红褐色，也被称作红粉。镨可用于新型磨削材料，制成的含镨刚玉砂轮与白刚玉相比，在磨削碳素结构钢、不锈钢、高温合金时，效率和耐用性可提高30%以上。过去由于为了降低成本，故多用镨钕富集物为原料，因而称为镨钕刚玉砂轮。^[10-11]

镨抛光粉镨钕刚玉砂轮

参考文献

[1]Emsley, pp. 120–5
[2] Weeks, Mary Elvira (1932). “The Discovery of the Elements: XI. Some Elements Isolated with the Aid of Potassium and Sodium:Zirconium, Titanium, Cerium and Thorium”. The Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231–1243. Bibcode:1932JChEd…9.1231W. doi:10.1021/ed009p1231.
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[5]McGill, Ian, “Rare Earth Elements”, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 31, Weinheim: Wiley-VCH, p. 183–227, doi:10.1002/14356007.a22_607
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[8]梁晓炜，黄胜波. 1.3μm波段掺镨光纤放大器．《内江科技》， 2009
[9] 张金平. 掺镨光纤放大器在有线电视HFC网络改造中的应用．《有线电视技术》，2004
[10]Rokhlin, L. L. (2003). Magnesium alloys containing rare earth metals: structure and properties. CRC Press. ISBN 978-0-415-28414-1.
[11]Borchert, Y.; Sonstrom, P.; Wilhelm, M.; Borchert, H.; et al. (2008). “Nanostructured Praseodymium Oxide: Preparation, Structure, and Catalytic Properties”. Journal of Physical Chemistry C. 112 (8): 3054. doi:10.1021/jp0768524.