CN116751040A - 一种用于低温磁制冷硅酸钆材料及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种用于低温磁制冷硅酸钆材料及其制备方法,该材料的化学通式为Gd10‑x+2y(Si1‑yAly)6O27‑1.5x,其中1/3<=x<=1,0<=y<=1/3;在0T~2T的磁场变化下其等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK,在0T~5T的磁场变化下,等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK,可应用于制冷系统;该材料为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。制备方法包括:称取硝酸钆、硝酸铝和正硅酸乙酯,加入乙醇溶解;水浴搅拌得到凝胶,将干燥好的凝胶退火后,在1400℃~1600℃下烧结12h~24h,随炉冷却至室温得到Gd10‑x+2y(Si1‑yAly)6O27‑3x成品。
Description
技术领域
本发明属于硅酸钆材料领域,特别涉及一种用于低温磁制冷中的硅酸钆材料及其制备方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展和人们生活水平的日益提高,不可再生资源的紧张及环境污染带来的影响已成为全球范围内亟待解决的关键问题。日常生活和工业化进步与制冷息息相关,世界上使用空调和冰箱等制冷设备消耗的电能约占全球电能损耗的20%。磁制冷是一种利用磁性材料的磁热效应(Magnetocaloric effect)而发展起来的新型制冷方式,它采用固体材料作为制冷工质不仅避免使用对环境有害的气体工质,而且可以在结构上更加紧凑。值得关注的是,磁制冷技术的效率理论上最高可达60%,远高于目前商业化的气体压缩制冷技术。可以看出,磁制冷技术具有绿色环保与高效节能等显著优点,因而被美国能源部列为未来替代压缩制冷技术的首选技术之一。目前磁制冷技术尚未得到广泛应用,而取决于这一技术能否走出实验室的关键因素之一是寻找高性能的磁制冷材料。
根据应用温度范围的不同,我们通常将磁制冷材料分为三类,分别是20K以下的低温区,20-77K的中温区,以及77K以上的高温区。虽然,对磁制冷材料的研究始于低温区,主要为顺磁盐材料。但是,目前对高温区磁制冷材料的研究更多,低温区磁制冷材料的研究反而较少,且发现应用于低温区的磁制冷材料存在磁熵变小、合成方法困难和稳定性较差等问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明目的在于提供了一种可应用稀土Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x(其中1/3<=x<=1,0<=y<=1/3)氧化物材料及其制备方法。
一种用于低温磁制冷硅酸钆材料,其化学通式为Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x,其中1/3<=x<=1,0<=y<=1/3;所述用于低温磁制冷硅酸钆材料为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。
所述用于低温磁制冷硅酸钆材料在0T~2T的磁场变化下,等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK,在0T~5T的磁场变化下,等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK。
一种用于低温磁制冷中硅酸钆材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:根据化学通式Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x中Gd、Al、Si三种元素的物质的量比,称取硝酸钆、硝酸铝和正硅酸乙酯,混合后加入乙醇,使所述硝酸钆、硝酸铝和正硅酸乙酯全部溶解,得到溶液A;其中1/3<=x<=1,0<=y<=1/3;
步骤2:在40℃~50℃温度条件下,对所述溶液A进行充分搅拌,直至出现白色凝胶,随后在60℃~80℃温度条件下,进行干燥处理6h~10h,得到凝胶;
步骤3:将所述凝胶进行第一次加热处理:按1℃~3℃每分钟升温速率加热至550℃~650℃,保温4h~8h后随炉冷却至室温,得到烧结物;
步骤4:将所述烧结物研磨成粉末,冷压成型后,进行第二次加热处理:在1400℃~1600℃下烧结12h~24h,随炉冷却至室温,即可得到Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x成品。
所述步骤3中,所述第一次加热处理是在空气气氛下,在刚玉坩埚中进行的。
所述第二次加热处理是在刚玉坩埚中进行的。
将所述的一种用于低温磁制冷硅酸钆材料应用于低温磁制冷,设置环境磁场强度从0T增加到2T,所述低温磁制冷硅酸钆材料的等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK;
设置环境磁场强度从0T增加到5T,所述低温磁制冷硅酸钆材料的等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK。
本发明提供的应用于磁制冷中的硅酸钆材料,其在0T~2T的磁场变化下等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK,在0T~5T的磁场变化下等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK,不仅弥补了现有低温区磁制冷材料中大磁熵变的空缺,还可以大批量制备,且容易保存,稳定性较好,在低温磁制冷领域具备极强的竞争力,有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍,后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解,这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
图1为实施例1中Gd9.33Si6O26在常温下的XRD图,横轴为衍射峰角度,纵轴为衍射峰强度。
图2为实施例1中Gd9.33Si6O26从1.8K~24K区间的MH图,横轴为施加磁场的大小,纵轴为实例的磁化强度。
图3为实施例1中Gd9.33Si6O26在2T磁场和5T磁场下的磁熵图。横轴为温度,纵轴为实例的等温磁熵变大小。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析,但具体实施案例并不对本发明作任何限定。
实施例1
应用于磁制冷中的Gd9.33Si6O26氧化物材料及其制备方法,具体步骤为:
步骤1:按分子式中的化学计量比称取0.00933mol硝酸钆、0.006mol正硅酸乙酯和正硅酸乙酯溶液体积比为1:40的乙醇溶液;
步骤2:将上述原料混合,并充分溶解在乙醇溶液中,40℃下搅拌均匀,至出现凝胶,随后放入干燥箱,70℃下加热8h;
步骤3:干燥后,将凝胶以2℃每分钟升温速度,加热至550℃退火4h,形成烧结物;
步骤4:将烧结物研磨成粉末,用压片机压片成型后,放入刚玉坩埚,用马弗炉在1400℃下烧结24h,随炉冷却至室温即可得到Gd9.33(SiO4)6O2氧化物材料。
本实施例制得的Gd9.33(SiO4)6O2氧化物材料经日本理学公司生产的X射线衍射证实为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。
在美国量子设计公司生产的物性测量系统(PPMS-9)的振动样品磁强计(VSM)测量附件上测定的本实施例制得的Gd9.33(SiO4)6O2氧化物材料在0~2T和0~5T的磁场变化下,其等温磁熵变最大值分别达到31.2J/kgK和64.8J/kgK。
实施例2
应用于磁制冷中的Gd9.66(Si0.833Al0.167)6O26氧化物材料及其制备方法,具体步骤为:
步骤1:按分子式中的化学计量比称取0.00966mol硝酸钆、0.005mol正硅酸乙酯、0.001mol硝酸铝和正硅酸乙酯溶液体积比为1:40的乙醇溶液;
步骤2:将上述原料混合,并充分溶解在乙醇溶液中,50℃下搅拌均匀,至出现凝胶,随后放入干燥箱,60℃下加热10h;
步骤3:干燥后,将凝胶以1℃每分钟升温速度,加热至600℃退火6h,形成烧结物;
步骤4:将烧结物研磨成粉末,用压片机压片成型后,放入刚玉坩埚,用马弗炉在1450℃下烧结18h,随炉冷却至室温即可得到Gd9.66(Si0.833Al0.167)6O26氧化物材料。
本实施例制得的Gd9.66(Si0.833Al0.167)6O26氧化物材料经日本理学公司生产的X射线衍射证实为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。
在美国量子设计公司生产的物性测量系统(PPMS-9)的振动样品磁强计(VSM)测量附件上测定的本实施例制得的Gd9.66(Si0.833Al0.167)6O26氧化物材料在0~2T和0~5T的磁场变化下,其等温磁熵变最大值分别达到30.8J/kgK和65.2J/kgK。
实施例3
应用于磁制冷中的Gd9.73(Si0.8Al0.2)6O26氧化物材料及其制备方法,具体步骤为:
步骤1:按分子式中的化学计量比称取0.00973mol硝酸钆、0.0048mol正硅酸乙酯、0.0012mol硝酸铝和正硅酸乙酯溶液体积比为1:40的乙醇溶液;
步骤2:将上述原料混合,并充分溶解在乙醇溶液中,50℃下搅拌均匀,至出现凝胶,随后放入干燥箱,65℃下加热10h;
步骤3:干燥后,将凝胶以1℃每分钟升温速度,加热至600℃退火10h,形成烧结物;
步骤4:将烧结物研磨成粉末,用压片机压片成型后,放入刚玉坩埚,用马弗炉在1500℃下烧结18h,随炉冷却至室温即可得到Gd9.73(Si0.8Al0.2)6O26氧化物材料。
本实施例制得的Gd9.73(Si0.8Al0.2)6O26氧化物材料经日本理学公司生产的X射线衍射证实为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。
在美国量子设计公司生产的物性测量系统(PPMS-9)的振动样品磁强计(VSM)测量附件上测定的本实施例制得的Gd9.73(Si0.8Al0.2)6O26氧化物材料在0~2T和0~5T的磁场变化下,其等温磁熵变最大值分别达到31.7J/kgK和66.8J/kgK。
实施例4
应用于磁制冷中的Gd10(Si0.67Al0.33)6O26氧化物材料及其制备方法,具体步骤为:
步骤1:按分子式中的化学计量比称取0.01mol硝酸钆、0.004mol正硅酸乙酯、0.002mol硝酸铝和正硅酸乙酯溶液体积比为1:40的乙醇溶液;
步骤2:将上述原料混合,并充分溶解在乙醇溶液中,45℃下搅拌均匀,至出现凝胶,随后放入干燥箱,80℃下加热6h;
步骤3:干燥后,将凝胶以3℃每分钟升温速度,加热至650℃退火8h,形成烧结物;
步骤4:将烧结物研磨成粉末,用压片机压片成型后,放入刚玉坩埚,用马弗炉在1600℃下烧结12h,随炉冷却至室温即可得到Gd10(Si0.67Al0.33)6O26氧化物材料。
本实施例制得的Gd10(Si0.67Al0.33)6O26氧化物材料经日本理学公司生产的X射线衍射证实为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。
在美国量子设计公司生产的物性测量系统(PPMS-9)的振动样品磁强计(VSM)测量附件上测定的本实施例制得的Gd9.66(Si0.833Al0.167)6O26氧化物材料在0~2T和0~5T的磁场变化下,其等温磁熵变最大值分别达到32.5J/kgK和67.5J/kgK。
下表展示了本发明实施例1与其它低温磁制冷材料在0~2T和0~5T的磁场变化下,其等温磁熵变最大值的对比情况,从对比可知,本案产品的等温磁熵变性能显著优于对比例。
本发明还提供一种在低温环境下,将所述低温磁制冷硅酸钆材料进行磁制冷应用的方法,包括:设置环境磁场强度从0T增加到2T,所述低温磁制冷硅酸钆材料的等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK;设置环境磁场强度从0T增加到5T,所述低温磁制冷硅酸钆材料的等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK。
以上所述,仅为本发明部分具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于低温磁制冷硅酸钆材料,其特征在于:
所述用于低温磁制冷硅酸钆材料,其化学通式为Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x,其中1/3<=x<=1,0<=y<=1/3;
所述用于低温磁制冷硅酸钆材料为六方型晶体结构,属于P63/m空间群。
2.如权利要求1所述的一种用于低温磁制冷硅酸钆材料,其特征在于:
所述的用于低温磁制冷硅酸钆材料在0T~2T的磁场变化下,等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK,在0T~5T的磁场变化下,等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK。
3.根据权利要求2所述的一种用于低温磁制冷硅酸钆材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:根据化学通式Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x中Gd、Al、Si三种元素的物质的量比,称取硝酸钆、硝酸铝和正硅酸乙酯,混合后加入乙醇,使所述硝酸钆、硝酸铝和正硅酸乙酯全部溶解,得到溶液A;其中1/3<=x<=1,0<=y<=1/3;
步骤2:在40℃~50℃温度条件下,对所述溶液A进行充分搅拌,直至出现白色凝胶,随后在60℃~80℃温度条件下,进行干燥处理6h~10h,得到凝胶;
步骤3:将所述凝胶进行第一次加热处理:按1℃~3℃每分钟升温速率加热至550℃~650℃,保温4h~8h后随炉冷却至室温,得到烧结物;
步骤4:将所述烧结物研磨成粉末,冷压成型后,进行第二次加热处理:在1400℃~1600℃下烧结12h~24h,随炉冷却至室温,即可得到Gd10-x+2y(Si1-yAly)6O27-1.5x成品。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,所述第一次加热处理是在空气气氛下,在刚玉坩埚中进行的。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述步骤4中,所述第二次加热处理是在刚玉坩埚中进行的。
6.将根据权利要求1所述的一种用于低温磁制冷硅酸钆材料应用于低温磁制冷,其特征在于,设置环境磁场强度从0T增加到2T,所述用于低温磁制冷硅酸钆材料的等温磁熵变最大值为28J/kgK~33J/kgK;
设置环境磁场强度从0T增加到5T,所述用于低温磁制冷硅酸钆材料的等温磁熵变最大值为58J/kgK~69J/kgK。
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