[发明专利]一种非稀土磁致冷材料KBBFO及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种非稀土磁致冷材料KBBFO及其制备方法和应用。所述的磁致冷材料KBBFO的化学式为KBa₈Fe₁₂(Bi_6‑xFe_x)O₃₈，x=0~5。该材料属立方晶系，空间群为。该材料具有晶体结构新颖、物化性能优良，在超低温段（2K）的磁化强度和磁热效应大等优点，有望在超低温磁致冷领域获得应用。该材料采用水热法制备，因此还具有工艺简单，周期短的优点。

技术领域

本发明是一种新型的非稀土磁热材料，可应用于磁制冷、磁致热领域，更具体涉及到这类材料的制备方法、结构及用途。

背景技术

磁制冷技术是以磁性材料为工质，利用材料的磁热效应来达到制冷目的。与传统制冷技术相比，磁制冷技术不会产生温室气体、无臭氧层破坏作用、噪音小、可操作性好、安全、效率高，是一种绿色环保的制冷技术。其作用机理是顺磁或铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩由杂乱变为有序，材料的磁熵减小而对外放热。当外磁场取消，磁性物质的磁矩又由有序而变为杂乱，因而磁熵增加须从外界吸收能量，在系统绝热的情况下则磁性物质本身温度降低。磁热效应的大小可用最大磁熵变值（ΔS_M），相对制冷能力（RCP），绝热温变（ΔT_ad）来衡量^[1]。

一些具有低温磁有序的化合物具有较高的磁热效应^[2]。如Gd₃Ga_5-xAl_xO₁₂(0≤x≤5)^[3]，EuTiO₃^[4]，ErRuSi^[5]等在小于10K的超低温温度下都具有很高的最大磁熵变值。但是就目前的文献报道来看，超低温磁热效应较好的化合物都含有高浓度的重稀土元素。而地球上Gd等重稀土元素丰度小，资源矿少，因此市场价格高，不利于制冷材料的大规模应用。因此，探索不含稀土的新型磁制冷材料也成为近年来的研究热点。2014年Shahida Akhter等人合成出了非稀土的Cu_1-xZn_xFe₂O₄(x=0.6, 0.7, 0.8)，在140~370K表现出磁热效应，磁熵变最大值为1.27J·kg⁻¹·K^−1[6]。2015年Elaa Oumezzine等人采用Pechini溶胶-凝胶法合成了非稀土的Zn_0.6−xNi_xCu_0.4Fe₂O₄纳米粒子在200K~800K都具有磁热效应^[7]。然而现已报道的这些磁热材料磁熵变值比较小，应用的温度范围都相对比较高，超低温段(小于10K)的磁热材料还是主要集中在稀土材料。本发明使用水热法合成了一种新的非稀土磁致冷材料KBBFO——KBa₈Fe₁₂(Bi_6-xFe_x)O₃₈，在超低温下（2K）具有较好的磁热效应，因此有望替代稀土低温磁制冷材料而获得大范围应用。

发明内容

本发明提供一类新型磁致冷材料KBa₈Fe₁₂(Bi_6-xFe_x)O₃₈（x=0~5）的制备方法、结构及用途。该晶体属立方晶系，空间群为。该晶体是一种新型的非稀土磁致冷材料，在超低温下具有较好的磁热效应。该材料采用水热法制备，具有工艺简单，周期短的优点。KBa₈Fe₁₂(Bi_6-xFe_x)O₃₈（x=0~5）磁致冷材料还具有结构新颖、物化性能优良、磁化强度大、磁热效应好等优点，可在磁制冷领域获得广泛应用，具有显著的经济效益和社会效益。