稀土水合盐在氦三温区磁制冷中的应用

本发明涉及氦三温区磁制冷。更具体地，涉及稀土水合盐在氦三温区磁制冷中的应用。

背景技术：

1、在1917年，由weiss和picard最初发现磁热效应后，磁制冷就逐渐发展为一种有前景的制冷方式。磁制冷的应用场景主要包括室温和低温。和室温磁制冷主要依靠于具有剧烈一级相变的铁磁材料不同，低温磁制冷只需要磁制冷材料在低温下尽可能保持顺磁性，因此具有更广泛的工质来源。同时由于超导物理、医学成像、气体液化等技术的飞速发展，稳定低温环境的实现越来越被人们所需求。低温磁制冷由于高的热力学效率以及不依赖于重力作用的优势，已被认为是各种冷却技术的有力替代方案。

2、目前，在氦三温区的应用场景已经越来越多，这要求磁制冷材料需要在相应的温区具有大的磁热效应。根据热力学第三定律，当温度趋近0k时，物质的比热也趋近于0。在空间探测等领域，常采用量热型传感器对各波段电磁波进行测量。这些探测器由“像素”构成，每个像素为一个具有一定热容的量热器。当能量入射时，像素的热容越小，升温越显著，探测器的分辨率就越高。因此，要保持高分辨率的空间探测图像，需要将温度稳定在1k以下。此外，在一些极端物理效应的研究上，例如玻色-爱因斯坦凝聚的验证、宇称不守恒定律的验证、反常量子霍尔效应的实现等等，也都需要构建低于1k的极低温场景。然而，目前主流磁制冷材料的研究主要集中在2k以上，较少涉及到氦三温区，因此急需拓展可应用于氦三温区的磁制冷材料，以匹配上述高端领域。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种稀土水合盐在氦三温区磁制冷中的新应用。该稀土水合盐可以在极低温(0.4-1.6k)低磁场(0-2t)下具有优异的磁热效应，在磁熵变性能上已经远超商用的水合盐磁制冷材料，可满足氦三温区磁制冷的应用要求。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、本发明公开稀土水合盐在氦三温区磁制冷中的应用，所述稀土水合盐的化学通式为r2mn3(no3)12·24h2o，其中为r为ce、pr或nd中的一种。

4、在本发明中，将所述稀土水合盐作为磁制冷材料用于0.4-1.6k的环境温度中进行磁制冷过程，以ce2mn3(no3)12·24h2o为例，发现当环境磁场强度从0t增加到1t时，其等温磁熵变最大值为23.5j kg-1k-1，当环境磁场强度0t增加到2t时，其等温磁熵变最大值为34.0jkg-1k-1，说明该稀土水合盐在极低温、低磁场下具有大的磁热效应，在磁熵变性能上远超其他商用的水合盐磁制冷材料，可满足氦三温区磁制冷的应用要求，这对于推动氦三温区磁制冷技术的发展具有重大意义。

5、进一步，所述氦三温区的温度区间为0.4-1.6k。

6、进一步，所述稀土水合盐按照如下步骤制备得到：

7、称取r(no3)3·nh2o和mn(no3)2·nh2o，加入一定量的去离子水混合均匀，滴加稀硝酸，调至ph为1.5-2.5，得到混合液，然后在加热的条件下将混合液超声震荡1-2h，冷却后采用蒸发结晶法，得到目标单晶。

8、进一步，所述r(no3)3·nh2o和mn(no3)2·nh2o的摩尔比为2:3。

9、进一步，所述r(no3)3·nh2o和mn(no3)2·nh2o的总质量与去离子水的质量比为1:2-3；优选为1:2.5。

10、进一步，所述加热的温度为50-60℃；示例性地，所述加热的温度可以为50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃、60℃等等，优选为55℃。

11、进一步，所述ph值为2，即混合液的ph值为2。

12、进一步，所述蒸发结晶法的时间为60-84h。

13、进一步，所述r(no3)3·nh2o选自ce(no3)3·6h2o、pr(no3)3·6h2o和nd(no3)3·6h2o中的一种。

14、进一步，所述稀土水合盐的化学式为ce2mn3(no3)12·24h2o，其空间群为晶格参数为α＝β＝90°，γ＝120。

15、本发明的有益效果如下：

16、在本发明中，将所述稀土水合盐作为磁制冷材料用于0.4-1.6k的环境温度中进行磁制冷过程，以ce2mn3(no3)12·24h2o为例，发现当环境磁场强度从0t增加到1t时，其等温磁熵变最大值为23.5j kg-1k-1，当环境磁场强度0t增加到2t时，其等温磁熵变最大值为34.0jkg-1k-1，说明该稀土水合盐在极低温、低磁场下具有大的磁热效应，磁熵变性能上，远超其他商用的水合盐磁制冷材料，已满足氦三温区磁制冷的应用要求，这对于推动氦三温区磁制冷技术的发展与其商业化具有重大意义。

技术特征：

1.稀土水合盐在氦三温区磁制冷中的应用，其特征在于，所述稀土水合盐的化学通式为r2mn3(no3)12·24h2o，其中为r为ce、pr或nd中的一种。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述氦三温区的温度区间为0.4-1.6k。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述稀土水合盐的化学式为ce2mn3(no3)12·24h2o，其在0.4-1.6k、0-2t时，最大磁熵变为34.0j kg-1k-1。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述稀土水合盐按照如下步骤制备得到：

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述r(no3)3·nh2o和mn(no3)2·nh2o的摩尔比为2:3。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述r(no3)3·nh2o和mn(no3)2·nh2o的总质量与去离子水的质量比为1:2-3；优选为1:2.5。

7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述加热的温度为50-60℃；优选为55℃。

8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述ph值为2。

9.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述蒸发结晶法的时间为60-84h。

10.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述r(no3)3·nh2o选自ce(no3)3·6h2o、pr(no3)3·6h2o和nd(no3)3·6h2o中的一种。

技术总结
本发明公开稀土水合盐在氦三温区磁制冷中的应用。所述稀土水合盐的化学通式为R2Mn3(NO3)12·24H2O，其中为R为Ce、Pr或Nd中的一种。在本发明中，将所述稀土水合盐作为磁制冷材料用于0.4‑1.6K的环境温度中进行磁制冷过程，以Ce2Mn3(NO3)12·24H2O为例，当环境磁场强度从0T增加到1T时，其等温磁熵变最大值为23.5J kg‑1K‑1，当环境磁场强度0T增加到2T时，其等温磁熵变最大值为34.0J kg‑1K‑1，说明所述稀土水合盐在极低温、低磁场下具有大的磁热效应，在磁熵变性能上远超其他商用的水合盐磁制冷材料，可满足氦三温区磁制冷的应用要求，这对于推动氦三温区磁制冷技术的发展具有重大意义。

技术研发人员：涂衡,陈祖华,沈俊,李振兴,张国春
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6