钆掺杂铒钴非晶合金平台式磁热响应设计及其在高效低温氢液化中的应用

针对氢液化过程中宽温区(20-77 K)高效磁制冷需求，重庆师范大学团队通过Gd掺杂Er61-xCo39Gdx非晶合金体系，成功构建具有平台状磁熵变(?ΔSm)特性的复合材料，其有效制冷量(RCeff)≥400 J/kg，工作温区ΔT达60-65 K，为氢液化磁制冷机提供了高性能固态制冷剂解决方案。

　　

随着全球能源结构转型，氢能作为清洁能源载体面临储存运输瓶颈，零下253℃的液化储存成为关键。传统氢液化技术依赖气体压缩循环，能耗高达12-15 kWh/kg，而基于磁热效应(Magnetocaloric Effect, MCE)的磁制冷技术理论上可将能耗降低30%。然而现有磁制冷材料存在两大痛点：一是稀土基晶态合金虽具有高磁熵变(?ΔS_m^peak)，但尖锐的一级相变峰难以覆盖氢液化(20 K)至氮液化(77 K)的宽温区；二是传统材料机械加工性差，难以满足实际设备对制冷剂形状可塑性的要求。

针对这些挑战，重庆师范大学材料研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。研究人员另辟蹊径选择非晶合金体系，通过成分调控策略设计出Er_61-xCo₃₉Gd_x(x=2-25)系列材料。相较于前期研究的二元Er-Co非晶合金（?ΔS_m^peak仅17.5 J/(kg·K)且温区局限在10-40 K），引入Gd元素后不仅将居里温度(T_c)提升至80 K以上，更通过非晶态特有的二级相变特性获得宽达13-80 K的制冷温区。

关键技术包括：1）采用电弧熔炼-急冷甩带法制备非晶带材；2）通过差示扫描量热法(DSC)和X射线衍射(XRD)表征非晶特性；3）利用超导量子干涉仪(SQUID)测量磁热性能；4）基于德拜模型计算G因子预测玻璃形成能力(GFA)。

【实验结果精要】

1. 材料特性：XRD显示所有成分均呈现典型非晶漫散射峰，DSC曲线证实其玻璃转变温度(T_g)与晶化峰分离，GFA参数γ值达0.39-0.42。
2. 磁热调控：Gd含量每增加1 at.%，T_c线性提升2.3 K，x=25时T_c达80 K；?ΔS_m呈现非晶态特有的宽峰特征，5 T场下峰值维持在12-18 J/(kg·K)。
3. 复合设计：通过组合不同Gd含量的合金，构建出?ΔS_m平台值约15 J/(kg·K)、RC_eff≥400 J/kg的杂化材料，温区覆盖20-80 K。

该研究突破性在于：首次实现氢-氮液化全温区平台式磁热响应，RC_eff较传统Gd₃Ga₅O₁₂商业材料提升3倍；同时利用非晶合金的超塑性，解决了制冷剂成型加工难题。Zhang Z. R.等作者特别指出，这种成分连续可调的非晶体系为其他温区磁制冷材料设计提供了普适性策略，其成果已申请中国发明专利保护。正如通讯作者Benzhen Tang强调的，这项技术有望使氢液化能耗降至9 kWh/kg以下，为全球氢能基础设施建设提供关键材料支撑。