[发明专利]一种碳材料、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及碳材料领域，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。

技术领域

本发明涉及碳材料领域，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。

背景技术

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。CN 103194654 A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。

发明内容

本发明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，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种碳材料，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2 Tesla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。

本发明中，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‰。