本发明专利技术涉及碳材料领域，具体涉及一种碳材料、制备方法及其应用，所述材料为具有边缘原子的sp2杂化形式的碳单质，其中，所述边缘原子数占所述碳材料原子数的5‰以上，所述碳材料在2Tesla永磁体的磁场下且温度300K时，总的磁熵变随着边缘原子比例变化而变化，总磁熵变可达0.02‑10J/(kg·K)，绝热温变范围可达0.01‑7.5开尔文。本发明专利技术的碳基材料能直接作为磁制冷材料，加工过程简单，材料价廉易制备，便于大范围推广应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及碳材料领域，具体涉及一种碳材料、制备方法及其应用，特别涉及一种sp2杂化形式的碳材料、制备方法及其应用。
技术介绍
制冷技术对人类社会具有重要意义，工业、农业(食物的保存)、医疗、军事及人类的生活环境、工作环境都离不开制冷技术及制冷工业。目前广泛使用的是具有近百年历史的气体压缩/膨胀制冷技术，其最高效率只能达到卡诺循环效率45％，而且所使用的制冷剂(氟利昂、氨)对臭氧层产生严重破坏，具有温室效应。磁致冷技术是利用磁场工作物质(磁性材料)电子的自旋取向空间分布的有序度发生变化而引起熵变来实现的。磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸收热量。而基于磁热效应的室温制冷近年来收到广泛关注，原因主要有：第一，室温磁制冷高效，能达到卡诺循环效率的60％，节省能源30％。第二，室温磁制冷将改变传统的冰箱制冷系统，不再排放使地球变暖的气体，对于环境保护具有重要意义。室温磁致冷是一种绿色的制冷技术，具有效率高、耗能低、无污染等优点。同时，磁致冷系统不需要压缩机，在工作时噪声小，可以小型化(重量轻)。目前研究较多的的室温磁制冷材料主要有两大类：一类是金属间化合物，如Gd-Si-Ge，La-Fe-Si，Mn-Fe-P-As系化合物。CN103194654A公开了一种及一种室温磁制冷材料及其制备工艺，磁制冷材料的化学通式(原子百分比)为：Mn(2-x)Fe(x)P(1-y)Ge(y)Al(z)，x的范围为：0.79～0.91；y的范围为:0.2～0.28；z的范围为：0.005～0.02。这些材料优点是在室温附近磁熵变大，具有作为室温磁制冷材料的基本特点，但作为磁制冷材料，这些材料的缺点是大多较脆，机械加工性能差。一类是纯金属Gd(居里温度为293K)，在永磁体的磁场下，最大绝热温变可以达到5.8K，最大磁熵变为10.4J·kg-1·K-1，是目前公认的最好室温磁制冷工质。但纯金属Gd主要的问题是机械强度较低，化学性质活泼，易腐蚀，价格高。开展室温下的磁制冷研究，开发新型室温磁制冷机的瓶颈问题是研究具有大的磁热效应、磁滞与热滞小、具有合适加工成型及机械强度的新型材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳材料、制备方法及其应用，能够使得新型磁制冷材料制备方法简单，具有巨磁热效应。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种碳材料，所述材料为具有边缘原子的sp2杂化形式的碳单质，其中所述边缘原子的比例为5‰以上；所述碳材料在2Tesla永磁体的磁场且温度300K时，总的磁熵变随着边缘原子比例变化而变化，总磁熵变可达0.02-10J/(kg·K)，绝热温变范围可达0.01-7.5开尔文。本专利技术中，所述边缘原子具有巨磁热效应，可使得sp2杂化形式的碳单质直接当做室温磁制冷工质材料使用。优选地，所述边缘原子的比例为5‰以上，例如可以是5‰、5.1‰、5.2‰、6‰、8‰、10‰、12‰、14‰、15‰、16‰、18‰、20‰、22‰、25‰、26‰、28‰、30‰、32‰、35‰、38‰、40‰、45‰、48‰、50‰、60‰、70‰、80‰、90％、100‰、200‰，300‰，400‰或500‰。作为优选技术方案，所述边缘原子的比例为5-500‰，优选为50-500‰。本专利技术中，磁热效应只是出现在边缘态原子中，对绝热温变而言，其他原子相当于处于“热沉”(吸热)，这使得碳单质作为整体磁热效应有所下降，但随着边缘原子的比例增大，巨磁热效应也会随之增大。优选地，所述的sp2杂化形式的碳单质为碳纳米管、石墨或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。本专利技术中，边缘原子比例增大的同时，碳纳米管的长径比会减小，石墨和石墨烯的尺寸会减小。优选地，所述的sp2杂化形式的碳单质为碳纳米管，所述碳纳米管长径比为(5-1000)：1，例如可以是5：1、5.1：1、5.2：1、6：1、7：1、8.5：1、10：1、18：1、20：1、23：1、25：1、28：1、30：1、32：1、35：1、36：1、38：1、40：1、42：1、45：1、46：1、48：1、60：1、70：1、100：1、200：1、300：1、400：1、500：1、520：1、600：1、750：1、820：1、950：1或1000：1，优选为(5-50:1)。优选地，所述sp2杂化形式的碳单质为石墨烯，所述石墨烯的尺寸为5-1000nm，例如可以是5nm、5.5nm、6nm、10nm、15nm、18nm、20nm、28nm、30nm、40nm、50nm，100nm、120nm、200nm、350nm、450nm、600nm、800nm或1000nm，优选为6-20nm。优选地，所述sp2杂化形式的碳单质为石墨，所述石墨的尺寸为5-1000nm，例如可以是5nm、5.5nm、6nm、10nm、15nm、18nm、20nm、28nm、30nm、40nm、50nm，100nm、120nm、200nm、350nm、450nm、600nm、800nm或1000nm，优选为6-20nm。优选地，所述的碳纳米管为单壁、双壁或多壁。第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备sp2杂化形式的碳单质；(2)将步骤(1)制备得到的碳单质在非氧化性的氛围中进行切割，得到具有边缘原子5‰以上的sp2杂化形式的碳单质。本专利技术中，所述sp2杂化形式的碳单质的制备方法为现有技术，且在对碳单质进行切割时，每切割一次会出现两个新的端口，而新的端口上自然会有边缘原子。本专利技术中，对切割方式没有进行限定，可以是本领域已经存在的切割技术，也可以是未来新的切割技术，所述切割为自动、半自动或手动。优选地，步骤(2)所述的非氧化性的氛围为在液体或非氧化性气体中进行切割。本专利技术中，隔绝空气是为了保护碳单质在切割过程中及切割之后，得到的边缘原子的悬挂键不会被空气中的氧气等吸附饱和，一直具有巨磁热效应。作为优选技术方案，所述液体为去离子水、无水酒精或液体石蜡中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述的非氧化性气体为氮气、氢气或惰性气体中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述切割在常温下进行，优选为20-30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，进一步优选为22-28℃。优选地，步骤(2)所述的切割为刀切、剪切、模切或粉碎中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述sp2杂化形式的碳单质为碳纳米管，所述切割为剪切，优选为碳化钨硬质合金保安刀片或钛合金剪刀进行剪切。优选地，所述剪切可以沿任意方向剪切。优选地，步骤(2)所述切割为滚动磨、振动磨或球磨中的一种或至少两种的组合。优选地，所述sp2杂化形式的碳单质为碳管，所述切割采用超细湿法球磨机进行球磨。优选地，所述sp2杂化形式的碳单质为石墨和/或石墨烯，所述切割采用超细湿法滚动轴承磨机进行滚动磨。第三方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的碳材料作为一种室温磁制冷工质材料的应用。第四方面，本专利技术提供一种磁制冷装置，包含如第一方面所述的碳材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)在永磁体的磁场为2Tesla且温度为300K本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳材料，其特征在于，所述材料为具有边缘原子的sp2杂化形式的碳单质，其中，所述边缘原子数占所述碳材料原子数的5‰以上；所述碳材料在2Tesla永磁体的磁场下且温度300K时，总的磁熵变随着边缘原子比例变化而变化，总磁熵变可达0.02‑10J/(kg·K)，绝热温变范围可达0.01‑7.5开尔文。
【技术特征摘要】
1.一种碳材料，其特征在于，所述材料为具有边缘原子的sp2杂化形式的碳单质，其中，所述边缘原子数占所述碳材料原子数的5‰以上；所述碳材料在2Tesla永磁体的磁场下且温度300K时，总的磁熵变随着边缘原子比例变化而变化，总磁熵变可达0.02-10J/(kg·K)，绝热温变范围可达0.01-7.5开尔文。2.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述边缘原子数占所述碳材料原子数的5-500‰，优选为50-500‰。3.根据权利要求1或2所述的碳材料，其特征在于，所述的sp2杂化形式的碳单质为碳纳米管、石墨或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1-3中任一项所述的碳材料，其特征在于，当碳单质为碳纳米管时，所述碳纳米管长径比为5-1000：1，优选为5-50：1；优选地，所述的碳纳米管优选为单壁、双壁或多壁；优选地，当所述碳单质为石墨烯时，所述石墨烯的尺寸为5-2000nm，优选为6-20nm；优选地，当所述碳单质为石墨时，所述石墨的尺寸为5-2000nm，优选为6-20nm。5.一种如权利要求1-4中任一项所述的碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备sp2杂化形式的碳单质；(2)将步骤(1)制备得到的碳单质在非氧化性的氛围中进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓娅，张健，孙连峰，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11
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