Nghiên cứu đất hiếm và ứng dụng trong khoa học vật liệu

Các nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm IIIB và chu kỳ 6 của bảng tuần hoàn. Cấu hình electron chung có dạng [Xe]4fⁿ5d^m6s², với n từ 0 đến 14 và m là 0 hoặc 1. Dựa vào sự xây dựng electron trên phân lớp 4f, các lanthanide được chia thành phân nhóm nhẹ (Ce-Gd) và phân nhóm nặng (Tb-Lu). Số oxy hóa bền và đặc trưng của đa số lanthanide là +3. Tuy nhiên, một số nguyên tố có số oxy hóa thay đổi như Ce (+4), Eu (+2) và Sm (+2).

So với các nguyên tố họ d, khả năng tạo phức của các nguyên tố đất hiếm kém hơn do các electron f bị che chắn mạnh. Các ion đất hiếm Ln³⁺ có kích thước lớn làm giảm lực hút tĩnh điện với các phối tử. Liên kết trong các phức chất chủ yếu là liên kết ion, tuy nhiên, liên kết cộng hóa trị cũng đóng góp một phần. Các ion đất hiếm Ln³⁺ có thể tạo phức với nhiều phối tử vô cơ như NO₃^-, CO₃^2-, CN^-, halide... và với các phối tử hữu cơ. Đi từ lanthanum đến lutetium thì khả năng tạo phức của ion đất hiếm và độ bền của phức chất tăng do bán kính ion giảm.

Quá trình khai thác và chế biến đất hiếm thường sử dụng các hóa chất độc hại, có thể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc xử lý chất thải từ quá trình khai thác là một thách thức lớn. Cần có các biện pháp kiểm soát ô nhiễm và phục hồi môi trường hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực của hoạt động khai thác đất hiếm. Theo Phạm Thị Hồng Vân, cần có những nghiên cứu sâu hơn để tìm ra những giải pháp khai thác, xử lý tài nguyên đất hiếm một cách tối ưu và thân thiện với môi trường.

Việc tách riêng các nguyên tố đất hiếm là một quá trình phức tạp và tốn kém, đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến như chiết dung môi, trao đổi ion và kết tinh phân đoạn. Việc phát triển các phương pháp tách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là một ưu tiên quan trọng. Thêm vào đó, việc tái chế đất hiếm từ các thiết bị điện tử cũ cũng đòi hỏi công nghệ đặc biệt. Từ tài liệu gốc, tác giả Phạm Thị Hồng Vân đã tổng hợp và trình bày những kiến thức nền tảng về các phương pháp này.

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp các vật liệu nano đất hiếm với kích thước hạt và độ đồng nhất cao. Quá trình này bao gồm việc tạo ra một sol (hệ keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển sol thành gel và nung gel để tạo ra vật liệu oxit. Bằng cách kiểm soát các điều kiện phản ứng, có thể điều chỉnh kích thước hạt, hình dạng và cấu trúc của vật liệu. Các vật liệu nano đất hiếm được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel có thể được sử dụng trong các ứng dụng như xúc tác, cảm biến và quang điện.

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật tổng hợp trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp này cho phép tổng hợp các vật liệu đất hiếm với độ tinh khiết cao và cấu trúc tinh thể tốt. Bằng cách điều chỉnh nhiệt độ, áp suất và thành phần dung dịch, có thể kiểm soát kích thước hạt, hình dạng và cấu trúc tinh thể của vật liệu. Các vật liệu đất hiếm được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có thể được sử dụng trong các ứng dụng như pin nhiên liệu, pin mặt trời và vật liệu phát quang.

Các vật liệu từ tính đất hiếm, đặc biệt là nam châm NdFeB và SmCo, có lực kháng từ cao và năng lượng tích cực lớn, làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho nam châm vĩnh cửu. Chúng được sử dụng rộng rãi trong động cơ điện, máy phát điện, loa và các thiết bị y tế. Việc cải thiện tính chất từ tính và giảm chi phí sản xuất là những mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu vật liệu từ tính đất hiếm.

Các vật liệu phát quang đất hiếm, như YAG:Ce và LuAG:Ce, có khả năng phát ra ánh sáng với hiệu suất cao và màu sắc đa dạng. Chúng được sử dụng rộng rãi trong đèn LED, màn hình hiển thị và các thiết bị chiếu sáng khác. Việc phát triển các vật liệu phát quang mới với hiệu suất cao hơn và màu sắc tốt hơn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Các vật liệu phát quang đất hiếm là một phần quan trọng của công nghệ đất hiếm hiện đại.

Các oxit đất hiếm và các hợp chất đất hiếm khác được sử dụng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hóa học quan trọng, bao gồm cracking dầu mỏ, khử NOx và oxy hóa CO. Các chất xúc tác đất hiếm có hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và độ bền nhiệt cao. Việc phát triển các chất xúc tác mới với hoạt tính cao hơn và độ chọn lọc tốt hơn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

Nam châm vĩnh cửu NdFeB, chứa đất hiếm neodymium (Nd), là thành phần quan trọng của tuabin gió không hộp số. Chúng giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm kích thước, trọng lượng của tuabin. Nhu cầu về đất hiếm cho tuabin gió dự kiến sẽ tiếp tục tăng trong tương lai khi năng lượng gió ngày càng trở nên phổ biến. Theo các bài báo khoa học đất hiếm, các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tìm kiếm các hợp chất thay thế để giảm sự phụ thuộc vào neodymium.

Các hợp chất đất hiếm được sử dụng trong pin mặt trời để cải thiện hiệu suất hấp thụ ánh sáng và tăng độ bền của tế bào quang điện. Đặc biệt, europium (Eu) và terbium (Tb) được sử dụng trong lớp phủ phát quang để chuyển đổi ánh sáng tử ngoại thành ánh sáng nhìn thấy, giúp tăng hiệu suất của pin mặt trời. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới chứa đất hiếm hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá trong công nghệ pin mặt trời.

Các hợp chất gadolinium (Gd) được sử dụng rộng rãi làm chất tương phản trong chụp cộng hưởng từ (MRI). Chúng giúp tăng cường tín hiệu và cải thiện khả năng phân biệt giữa các mô khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng gadolinium có thể tích tụ trong não và gây ra các tác dụng phụ. Do đó, các nhà khoa học đang nghiên cứu các chất tương phản mới dựa trên các nguyên tố đất hiếm khác, như lanthanum (La) và yttrium (Y), với độc tính thấp hơn.

Các hạt nano chứa đất hiếm, như europium (Eu) và terbium (Tb), có thể được sử dụng trong liệu pháp quang động (PDT) để tiêu diệt tế bào ung thư. Các hạt nano này hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng thành oxy hoạt tính, chất độc hại đối với tế bào ung thư. PDT có tiềm năng lớn trong điều trị các loại ung thư khác nhau, với ưu điểm là ít xâm lấn và có thể nhắm mục tiêu chính xác vào tế bào ung thư. Theo Phạm Thị Hồng Vân, liệu pháp PDT sử dụng vật liệu đất hiếm là một hướng đi đầy hứa hẹn.