稀土元素钆及其应用

　　钆(Gd)由瑞士化学家马利格纳克（Jean de Marignac）于1880年发现。为了纪念第一个稀土元素钇的伟大发现者——芬兰科学家加多林(Gadolin)，将其命名为钆。钆汉语名称的正确发音应该是ga（同噶），但在我们稀土界，由于以讹传讹，人们总是习惯称其为zha（渣或炸），就像把“浓硫酸焙烧”中的焙（bei，音同被）也常常读作“陪”（pei）一样，其实是念成了白字。

　　在镧系元素中钆按原子序数排在第8位，属于轻稀土或中稀土，其地壳丰度（7.7ppm）在17个稀土元素中也排列第8，含量不算低。目前由于用量有限，属于供过于求的稀土元素。钆在稀土生产过程中，经常以“钐铕钆”富集物状态被分离出来，然后再从中提取纯钆。由于氧化铕大量应用于发光材料，提铕后会产生大量钐钆副产品，目前正在开发的钐钆复合物隔热陶瓷材料可用作航空、汽车等领域的高性能隔热材料，会大大提高产品的附加值，将为钆的应用找到新的市场。

　　钆和其它稀土元素一样,属于活泼性金属,拥有相似的化学共性。作为混合稀土使用，可以同镧铈等轻稀土一起用作金属的净化变质剂，也可用做石油、化工和环保催化剂，还被用于农牧养殖和助染助鞣等方面。但钆也具有自己一些独特的个性，如特殊的磁性、光性和核性质，有许多特殊的用途。

　　金属钆可用作钐钴磁体的添加剂，能使磁体性能不随温度而变化。在SmCo5合金中加入Gd所获得的快淬薄带取向度好，剩磁比与烧结磁体相当，磁感温度系数低于同成分的烧结

　　氧化钆具有多种用途。它可用于高折射低色散光学玻璃。大家都知道，镧系光学玻璃具有高折射和低色散的优良特性，用于许多高级光学镜头。在其中加入氧化钆，有助于玻璃化区域的变化和提高玻璃的热稳定性。钆镉硼酸盐玻璃可用作吸收慢中子的防耐辐射玻璃。一种镧钆锌为主要成分的硼酸盐玻璃具有优异的高温成型性。

　　用氧化钆能制得多种红色荧光粉。如掺铕的钇钆硼酸盐(Y，Gd)BO3∶Eu红色荧光粉可用于等离子体荧光显示屏。在用钇和铕制造的红色荧光粉中加入氧化钆，可保持同样优良的发光特性，发光效率高，颜色鲜艳，稳定性好，比单用钇铕荧光粉成本低，不但可用于荧光灯，而且可用于等离子体显示器件和阴极射线管中。钆也可用于长余挥荧光粉。用钆的钒磷酸盐还可制造发光薄膜

　　钆在用于磁制冷方面将很有应用前景。磁制冷材料是具有磁热效应的物质。磁制冷的工作原理是在外加磁场下，使磁体中的磁矩按磁场方向整齐排列（磁熵变小），当撤去磁场时，磁矩方向变杂乱（磁熵变大），这时从周围吸收热量，利用这种磁热效应可以产生制冷。1976年美国宇航局的G.V.布朗（Brown）首先采用金属钆作为磁制冷材料。当时人们主要研究用于低温超导使用的小型液氦制冷机。这种低温（4~20K）磁制冷机早已实用化。目前人们感兴趣的是要搞出室温（高温）磁制冷系统，以取代会产生破坏大气层的氟里昂冰箱。自Brown以稀土金属钆为工质材料成功地进行室温磁致冷实验后,室温磁致冷工作得到了广泛重视。美国是国际上在室温磁制冷领域首先获得突破的国家。1997年他们采用金属钆研制出人类第一台使用超导磁体的室温磁制冷原理机，效率可达60％，而传统的氟里昂制冷机效率只能达到25~40％。这种磁致冷机不仅效率高，且不排放任何污染物，噪音低，如能实现商业化生产，将会给氧化钆带来广阔的市场。2001年底又研制出永磁体室温磁制冷冰箱展示机，从而将室温磁制冷从实验室研究推进到实用化研究阶段。美国计划经过3~5年先把室温磁制冷技术用于汽车空调系统，再进一步推广应用于家庭空调和电冰箱。据悉，我国2010年将全面禁止生产氟里昂冰箱，这要求要加快磁制冷技术的研究和产业化进程。

　　最近研究发现钆硅锗三元合金Gd5SixGe4-x是一种具有巨磁热效应的材料，其磁熵变要比金属钆大2～3倍,被称之为巨磁热效应材料,是一种很有前途的实用室温磁致冷材料。美国埃姆斯实验室已开发出制造硅锗钆合金新技术，材料具有比使用纯钆磁制冷材料更高的磁制冷效果。我国还研究出一种钆硅锗锡四元合金磁致冷材料，采用比较廉价的锡，成本低，而且居里温度随成份变化可以调节。如果钆能在室温冰箱中获得应用，那将为钆找到一个异常广阔的应用市场。

　　磁光材料是激光、光电子学和光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。石榴石型铋-钆-铁-镓-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系铁氧体和钆-钴(Gd-Co)系非晶合金等都是性能优异的磁光材料，具有高的磁光效应和低的磁光损耗。钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)晶体，光学性质与钻石非常相近，其单晶是优良的磁泡材料，被用于磁泡存储器。

　　钆的氟化物光纤（如BeF2—GdF3—ZrF4系）能传输比石英系光纤更长波长的的光，有望用于远距离低损耗的光通讯传输。但这项技术要求钆的化合物中杂质含量要非常低，杂质浓度必须控制在0. 1ppm以下。要求必须开发精制高纯稀土的新工艺和微量分析技术。

　　钆还被用于激光材料，用掺钕硼酸钆铝(NGAB)晶体用掺钕硼酸钆铝晶体制造的激光二极管泵浦的自倍频蓝色激光器，可产生440nm蓝色激光，属于全固态激光器，具有结构简单、体积小、牢固耐用、价格适宜等特点，在高密度数据存储、彩色印刷、水底通讯等诸多方面有着广泛的应用。

　　金属钆还被用于阴极发射材料，和镧钇一起用于难熔金属的钼次极发射材料，发射系数大、发射稳定性好、易于加工、抗暴露大气能力好，可应用于磁控管阴极材料领域。

　　钆的热中子吸收截面与其它元素相比非常大,约为46000靶,比稀土中热中子吸收截面排第二位的钐(5500靶)还高出约八倍,作为中子吸收剂用于原子能反应堆的控制棒。在核燃料铀中固溶掺入少量氧化钆,有抑制过燃的作用.使核燃料燃烧稳定。

　　掺铽的硫氧化钆(Gd2O2S:Tb)被用于医用X荧光增感屏,拍摄X光照片时,可使X光转换为可见光使胶片感光,从而提高感光灵敏度和清晰度,减少人体受X射线辐照的剂量。

　　钆的水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振波谱仪（NMR）成像信号。含钆造影剂已被广泛用于普通核磁共振（MRI）增强检查和磁共振血管造影（MRA），含钆造影剂经静脉注射后可迅速分布于细胞外液，进而增强图像的清晰度和对比度，已用于中枢神经(脑及脊髓)、腹、胸、盆腔、四肢等人体脏器和组织的核磁共振成像，也用于肾功能评估。由于钆具有较高的吸收X线能量特性，因此可用于X线血管造影成像。可将其作为含碘造影剂的替代剂，具有良好效果。尤其适用于存在碘剂过敏和肾功能不全的患者。含钆造影剂还被用于做CT增强扫描。

　　美国科学家研究出一种增强传送输送系统(CED)，使钆有望用做检查和治疗脑干肿瘤药物。由于一般药物很难通过坚固的血脑屏障，使治疗脑干肿瘤药物疗效差，尤其是儿童患者死亡率极高。实验发现，带有钆（Gd）元素的白蛋白（albumin）可以有效地通过血脑屏障。如果这个CED药物输送造影技术被证实是有效而且安全的话，就不但能改善脑干肿瘤的治疗效果，还能用来治疗帕金森氏症、癫痫等等其它神经疾病。

　　俄罗斯科学院地质研究所的专家发现在某地区存在地壳断面，不断涌出含放射性元素铀钍的深层地下水，导致土壤中的铀钍元素含量很高，而铀钍自行裂变释放出的中子又会破坏生物的细胞组织。但在这样恶劣的环境中松树却能茁长生长，主要是因为松树能够从土壤中吸收中子俘获截面大的钆镝等稀土元素，抵御了铀钍的辐射。专家指出，这项研究将有助于开发新的辐射防护技术。

附录：稀土元素家族系列档案——钆

钆

元素符号Gd

英文名称Gadolinium

原子序数64

相对原子质量(12C = 12.0000) 157.25

发现年代

1880年

发现人

J.C. Galissard de Marignac （瑞士）

原 子 结 构

原子半径(?):2.54

离子半径(?): 0.938

共价半径(?): 1.61

氧化态:3

原子体积cm3/mol: 19.9

电子构型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f7 5s2p6d1 6s2

物理性质

状态：银白色金属。

熔点(℃)：1312

沸 点(℃):3266

比 热（J/gK）：0.23

密度 (g/cc，300K)：7.895

熔化热（KJ/mol）：10.05

蒸发热 （KJ/mol）：359.4

导电率（106/cm ）: 0.00736

导热系数 （W/cm K ）： 0.106

地质 数据

丰度

海水中（ppm）.：

地壳 （ppm.）：7.7

大西洋表面：5.2 × 10-7

大西洋深处9.3 × 10-7

大气（ppm.）/体积：

太平洋表面：6.0 × 10-7

太平洋深处：15 × 10-7

矿产资源

工业矿物：

主要产地

混合型（氟碳铈＋独居石）

中国内蒙古自治区包头白云鄂博矿山

氟碳铈矿（Bastnaesite） CeLaFCO3（轻稀土）

美国芒廷帕斯矿山（加利福尼亚）

中国四川冕宁、山东微山

离子型稀土矿

中国江西、广东、湖南、福建、广西等

独居石（Monazite ） （CeLaTh）PO4（轻稀土）

澳大利亚东西海岸海滨沙矿

印度西南海滨沙、中国广东和台湾海滨沙

磷钇矿

马来西亚

铈铌钙钛矿

俄罗斯托姆托尔碳酸岩风化壳稀土矿床

配分 Gd %

包头混合型矿

四川氟碳铈矿

澳大利亚独居石

离子型稀土矿

江西寻乌

江西信丰

江西龙南

0．70

0．66

1．5

4．2

6．0

5．7

应用领域

金属、合金

钢铁与有色金属合金改性剂、磁制冷材料、钐钴永磁添加剂等

混合氧化物

石油与化工催化剂、农用稀土、助染助鞣等

单一氧化物

磁光与激光材料、光纤材料、光学玻璃、荧光粉、精密陶瓷等

络合物

医用造影剂