Nguyên tố đất hiếm (Rare earth elements, REE)

Nhóm REE bao gồm 15 nguyên tố có số nguyên tử từ 57 (lanthanum) đến 71 (lutetium) trên bảng tuần hoàn các nguyên tố và được gọi chính thức là "lanthanoid", hoặc "lanthanide".

Hình 1. Vị trí các nguyên tố đất hiếm trong bảng tuần hoàn hóa học

Hầu hết các REE không hiếm như tên của nhóm chất này. REE được gọi là "các nguyên tố đất hiếm" vì hầu hết các nguyên tố được xác định trong thế kỷ 18 và 19 và coi là "đất" (vật liệu không thể bị nhiệt biến đổi thêm) và so với các loại "đất" khác, chẳng hạn như vôi hoặc magnesia, chúng tương đối hiếm. Tất cả các REE, ngoại trừ promethium, đều có trữ lượng trong lớp vỏ Trái đất nhiều hơn so với bạc, vàng hoặc bạch kim. Tuy nhiên, các mỏ REE thường nằm rải rác và khả năng sử dụng để khai thác là tương đối khó khăn.

Ứng dụng của nguyên tố đất hiếm

REE có các tính chất vật lý và hóa học khác biệt như tính quang học, từ tính nên hiên tại được ứng dụng rộng rãi, đa dạng trong cuộc sống. Các chất REE sử dụng để chế tạo chất phát quang, chất này được dùng cho nhiều loại ống tia và màn hình phẳng, màn hình điện thoại thông minh, màn hình TV, máy chiếu. Một số REE được sử dụng trong đèn huỳnh quang và đèn LED. Các chất phát quang như yttri, europium và terbi là các chất phát quang các màu đỏ-xanh, lục-xanh, lam được sử dụng trong nhiều bóng đèn, tấm pin và tivi.

Ngành công nghiệp thủy tinh là ngành tiêu thụ nguyên liệu thô REE lớn nhất, sử dụng chúng để đánh bóng thủy tinh và làm chất phụ gia tạo màu và các tính chất quang học đặc biệt. Lanthanum chiếm tới 50% ống kính máy ảnh kỹ thuật số, bao gồm cả máy ảnh điện thoại di động.

Các chất xúc tác gốc lanthanum được sử dụng để tinh chế dầu mỏ. Các chất xúc tác gốc xeri được sử dụng trong bộ chuyển đổi xúc tác ô tô. Các nam châm sử dụng REE đang phát triển nhanh chóng như: nam châm neodymium-sắt-boron là loại nam châm mạnh nhất được biết đến. Những nam châm này cũng được sử dụng trong nhiều hệ thống phụ ô tô thông thường, chẳng hạn như trợ lực lái, cửa sổ chỉnh điện, ghế chỉnh điện và loa âm thanh.

Pin niken-kim loại hydride được chế tạo bằng hợp kim gốc lanthanum làm cực dương. Các loại pin này, khi được sử dụng trong ô tô điện hybrid, chứa một lượng lanthanum đáng kể, cần tới 10 đến 15 kg cho mỗi xe điện. Ngoài ra, một số REE là nguyên liệu thô quan trọng đối với các công nghệ đang phát triển hiện nay: ứng dụng năng lượng sạch, vũ khí quân sự công nghệ cao và thiết bị điện tử bán dẫn.

Nguồn cung nguyên tố đất hiếm trên toàn thế giới

Trữ lượng đã biết của các kim loại đất hiếm này được tìm thấy ở một số ít quốc gia trên thế giới. Trung Quốc, Brazil, Hoa Kỳ, Việt Nam và Nga có hơn 75% trữ lượng đã biết của kim loại đất hiếm. 

Hình 2. Phân bố trữ lượng đất hiếm trên thế giới

Việt Nam có trữ lượng đất hiếm đáng kể, ước tính khoảng 20 triệu tấn, xếp vào mức cao trên thế giới. Các mỏ đất hiếm chủ yếu tập trung ở khu vực Tây Bắc và Tây Nguyên, với các điểm tụ khoáng nổi bật như Bắc Nậm Xe, Đông Pao (Lai Châu), Mường Hum (Lào Cai), và Yên Phú (Yên Bái).

Hiện tại, việc khai thác đất hiếm ở Việt Nam đang gặp một số thách thức như chi phí cao, công nghệ khai thác và chế biến còn hạn chế, và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, với tiềm năng lớn và sự quan tâm từ các nhà đầu tư nước ngoài, Việt Nam đang dần trở thành một điểm đến hấp dẫn trong lĩnh vực này và hiện có nhiều công ty lớn trên thế giới mong muốn hợp tác với Việt Nam để cùng khai thác.

Tổng hợp vật liệu từ các nguyên tố đất hiếm

Quá trình tổng hợp vật liệu từ đất hiếm bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp được thiết kế riêng để sản xuất các loại vật liệu cụ thể, có đặc tính mong muốn. Sau đây là một số phương pháp tổng hợp phổ biến:

Tổng hợp trạng thái rắn

Phương pháp này bao gồm việc trộn oxit hoặc muối đất hiếm với các hợp chất khác và nung chúng ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu mong muốn. Phương pháp này thường được sử dụng để tạo gốm và hợp kim entropy cao.

Quy trình Sol-Gel

Trong phương pháp này, các tiền chất đất hiếm được hòa tan trong dung dịch để tạo thành gel. Sau đó, gel được sấy khô và nung để tạo ra bột mịn. Kỹ thuật này thường được sử dụng để tổng hợp các hạt nano và màng mỏng.

Tổng hợp thủy nhiệt

Phương pháp này bao gồm phản ứng của các hợp chất đất hiếm trong dung dịch nước có áp suất cao, nhiệt độ cao. Phương pháp này đặc biệt hữu ích để sản xuất các vật liệu có cấu trúc nano với hình dạng và kích thước được kiểm soát.

Đồng kết tủa

Các ion đất hiếm được kết tủa từ dung dịch bằng cách thêm tác nhân kết tủa. Sau đó, kết tủa thu được được lọc, rửa và nung để thu được sản phẩm cuối cùng. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để tổng hợp chất xúc tác và phốt pho.

Lắng đọng hơi hóa học

Các hợp chất đất hiếm được bốc hơi và sau đó lắng đọng trên một chất nền để tạo thành màng mỏng. Phương pháp này được sử dụng để tạo lớp phủ và vật liệu điện tử.

Các phương pháp tổng hợp trên cho phép sản xuất các vật liệu đất hiếm có các đặc tính cụ thể cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm điện tử, quang học và xúc tác.

Ngành Công nghệ Vật liệu - Khoa Công nghệ Hóa học

Hiện nay, nhằm theo kịp xu hướng phát triển mới của thế giới, trong đó phát triển công nghệ cao và vật liệu bán dẫn đang được Nhà nước chú trọng, Khoa Công nghệ Hóa học Trường Đại học Công Thương Tp.HCM với ngành Công nghệ Vật liệu thực hiện giảng dạy các học phần chuyên sâu trong chương trình đào tạo ngành công nghệ vật liệu. Các môn học đều được gắn với các loại vật liệu thông dụng như vật liệu polymer và composite, phụ gia polymer, vật liệu polymer tiên tiến, vật liệu nano, công nghệ gia công các sản phẩm nhựa, bao bì nhựa, công nghệ gia công cao su, kỹ thuật sản xuất sơn, kỹ thuật chất kết dính, thiết kế khuôn mẫu nhựa, thiết kế sản phẩm nhựa, phương pháp phân tích và đánh giá polymer…

Với lợi thế là nước xuất khẩu các loại nguyên vật liệu, nhu cầu nhân lực trong các lĩnh vực vật liệu, khai khoáng ở Việt Nam như ngành sơn, nhựa, luyện kim, khai thác tài nguyên… là rất lớn. Do đó ngành Công nghệ Vật liệu giúp người học có đầy đủ kiến thức và chuyên môn, qua đó đáp ứng được các yêu cầu thực tiễn của xã hội hiện nay.

Tài liệu tham khảo

[1] Depraiter L., Goutte S. (2023), “The role and challenges of rare earths in the energy transition”, Resources Policy, 86, 104137.

[2] Liu S.-L., Fan H.-R., et al. (2023). "Global rare earth elements projects: New developments and supply chains" Ore Geology Reviews, 157, 105428.

[3] Balaram V. (2025). Rare earth elements, resources, applications, extraction technologies, chemical characterization, and global trade – A comprehensive review. Treatise on Geochemistry (Third edition). A. Anbar and D. Weis. Oxford, Elsevier, 193-233.

[4] Sun Y., H. Hu, et al. (2023). "Two episodes of carbonatite-related rare-earth element mineralization in the Nam Xe deposit, northwestern Vietnam: Implications for ore genesis and regional metallogeny." Ore Geology Reviews, 162, 105698.