一种非稀土磁致冷材料KBBFO及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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(Bi6‑xFex)O38，x=0~5。该材料属立方晶系，空间群为

【技术实现步骤摘要】
一种非稀土磁致冷材料KBBFO及其制备方法和应用
本专利技术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。
技术介绍
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（ΔSM），相对制冷能力（RCP），绝热温变（ΔTad）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Gd3Ga5-xAlxO12(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ShahidaAkhter等人合成出了非稀土的Cu1-xZnxFe2O4(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ElaaOumezzine等人采用Pechini溶胶-凝胶法合成了非稀土的Zn0.6−xNixCu0.4Fe2O4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。本专利技术使用水热法合成了一种新的非稀土磁致冷材料KBBFO——KBa8Fe12(Bi6-xFex)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。
技术实现思路
本专利技术提供一类新型磁致冷材料KBa8Fe12(Bi6-xFex)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(Bi6-xFex)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。本专利技术的KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）磁致冷材料的制备方法为：水热法制备，水热反应结束后用去离子水超声清洗，然后采用pH=1~2的硝酸溶液搅拌洗涤，最后去离子水超声洗涤三遍后烘干。具体包括如下步骤：（1）晶体生长：按KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38，x=0~5，化学计量比准确称取Bi(NO3)3·5H2O、Ba(NO3)2放于反应釜内衬中，再加入高于化学计量比20%的Fe(NO3)3·9H2O，最后量取14mol·L-1的KOH溶液缓慢滴加入反应釜内衬中，直至填充度为60%，磁力搅拌40min，取出磁子，将反应釜置于180℃温度下恒温反应36h，2天程序降温至室温；（2）分离提纯：取出反应釜，将反应物倒入玻璃烧杯中，用去离子水超声清洗直至上层溶液无色，倒去上清液，然后加入pH=1~2的稀硝酸搅拌10分钟，待晶体沉降完全后倒去上清液，加入去离子水超声清洗三遍，经过滤后于80℃下烘干10h得到产物。本专利技术的KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）磁致冷材料结构：所述的材料是一种晶体结构新颖的新材料，结构中含有钾氧八面体、Fe4O4八元环、钡氧笼和(Bi/Fe)6O8多面体。本专利技术的KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）磁致冷材料用途在于：所述的材料可直接作为磁热材料应用于磁制冷器件中。本专利技术的显著优点：本专利技术的KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）磁致冷材料是一类新型的磁热材料，属立方晶系（a=10.1085(8)Å，α=90°），空间群为。该系列材料可以采用水热法进行制备，并通过调节原料中Bi与Fe比例来调控材料的磁性和磁热性能。本专利技术的晶体在结构上存在钾氧八面体、Fe4O4八元环、钡氧笼和(Bi/Fe)6O8多面体。晶体在性能方面具有较大的磁化强度和高热稳定磁结构，而且在低温至2K时仍表现出超顺磁特性而不发生磁相变，说明该晶体可用于超低温段的多种磁制冷器件中，具有显著的经济效益和社会效益。附图说明图1为KBa8Fe12(Bi5Fe)O38的单胞结构示意图；图2为KBa8Fe12(Bi5Fe)O38的单胞拆解图，（a）钾氧八面体，(b)钡氧笼，(c)铁氧笼，(d)(Bi/Fe)6O8多面体；图3KBa8Fe12(Bi3Fe3)O38晶体粉末的Rietveld精修谱图；图4KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）的磁滞回线，插图为0.8T条件下的磁化强度M~x关系曲线；图5KBa8Fe12(Bi5Fe)O38化合物在0.5-8T磁场下的磁熵变曲线；图6KBa8Fe12(Bi3Fe3)O38化合物的M-T曲线，插图为KBa8Fe12(Bi5Fe)O38和KBa8Fe12(Bi3Fe3)O38化合物在T=2~30K的M-T曲线。具体实施方式本专利技术KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）磁致冷材料的制备步骤：1.晶体生长：按KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38（x=0~5）化学计量比准确称取Bi(NO3)3·5H2O（AR）、Ba(NO3)2（99.5%）放于反应釜内衬中，再加入高于化学计量比20%的Fe(NO3)3·9H2O（98.5%），最后量取14mol·L-1的KOH（AR）溶液缓慢滴加入反应釜内衬中，直至填充度为60%，磁力搅拌40min，取出磁子。将反应釜置于180℃温度下恒温反应36h时间，然后经48h程序降温至室温。2.分离提纯：取出反应釜，将反应物倒入玻璃烧杯中，用去离子水超声清洗直至上层溶液无色，倒去上清液，然后加入pH=1~2的稀硝酸搅拌10分钟，待晶体沉降完全后倒去上清液，加入去离子水超声清洗三遍，经过滤后于80℃下烘干10h得到产物。以下实施例进一步阐述本专利技术，但是本专利技术不仅限于此。实施例1水热法生长KBa8Fe12(Bi5Fe)O38晶体。（1）按KBa8Fe12(Bi5Fe)O38化学计量比准确称取Bi(NO3)3·5H2O（AR）、Ba(NO3)2（99.5%）放于反应釜内衬中，再加入高于化学计量比20%的Fe(NO3)3·9H2O（98.5%），最后量取14mol·L-1的KOH（AR）溶液缓慢滴加入反应釜内衬中，直至填充度为60%，磁力搅拌40min，取出磁子。将反应釜置于180℃温度下恒温反应36h时间，然后经48h程序降温至室温。（2）取出反应釜，取出反应釜，将反应物倒入玻璃烧杯中，用去离子水超声清洗直至上层溶液无色，倒去上清液，然后加入pH=1的稀硝酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非稀土磁致冷材料KBBFO，其特征在于：所述的磁致冷材料KBBFO的化学式为KBa8Fe12(Bi6‑xFex)O38，x=0~5。

【技术特征摘要】
1.一种非稀土磁致冷材料KBBFO，其特征在于：所述的磁致冷材料KBBFO的化学式为KBa8Fe12(Bi6-xFex)O38，x=0~5。2.根据权利要求1所述的一种非稀土磁致冷材料KBBFO，其特征在于：所述非稀土磁致冷材料KBBFO属立方晶系，空间群为，晶胞参数a=10.1085(8)Å；具有独特的晶体结构，结构中包含了钾氧八面体、Fe4O4八元环、钡氧笼和(Bi/Fe)6O8多面体。3.如权利要求1或2所述的非稀土磁致冷材料KBBFO的制备方法，其特征在于：采用水热法制备，水热反应结束后用去离子水超声清洗，然后采用pH=1~2的硝酸溶液搅拌洗涤，最后去离子水超声洗涤三遍后烘干。4.根据权利要求3所述的非稀土磁致冷材料KBBFO的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：（1）晶体生长：按KBa8F...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄乃锋，吴璇，赵中胜，吴舒婷，胡晓琳，陈新，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35