聚酰亚胺作为Mg-、Na-和Li离子电池绿色电极材料的解释：基于密度泛函理论（DFT）和原子分子动力学方法（AIMD）的研究

《Materials Science and Engineering: B》：Explanation of polyimide as a green electrode material for Mg-, Na- and Li-ion batteries: DFT and AIMD approach

室温下高冷却功率密度、宽工作温度范围及适中的磁热响应（MCR）全哈斯勒类合金（FHLA）Mn?(Ti?.?Fe?.?)Sn实现，其结构为六方晶系（空间群P63/mmc，D0??），不同于常规立方结构，X射线衍射和拉曼分析证实。计算Rhodes-Wolffarth比值RWR=2.759>1表明为离域铁磁体，6T磁场下工作温度范围达20K，制冷容量285.51 mJ·cm?3，相对冷却功率295.70 mJ·cm?3，适用于微型工程设计和有害VOCs相变调控。

　　

Sourav Mandal|Palash Nandi|Tapan Kumar Nath

印度西孟加拉邦卡拉格普尔印度理工学院物理系磁性与磁性材料实验室-721302

摘要

在高质量的多晶半金属类Full Heusler合金（FHLA）Mn₂(Ti_0.2Fe_0.8)Sn中，实现了室温（RT）下单位体积大的冷却功率、高工作温度范围以及在居里温度附近适中的磁热响应（MCR）。在室温下，这种FHLA表现出特殊的Mg₃Cd（或Ni₃Sn）型六方结构（空间群P63/mmc，编号194，Strukturbericht标识-D0₁₉），而非立方结构，这一点通过拉曼和X射线衍射研究得到了证实。该合金还具有一种独特的微观结构特征，这在Full Heusler合金（FHA）中较为罕见。差示扫描量热法（DSC）和磁测量结果显示其居里温度接近室温。计算得出的Rhodes-Wohlfarth比值（RWR）为2.759（>1），表明该体系具有类铁磁体的特性。在6特斯拉（T）的磁场变化下，该FHLA的工作温度范围（ΔT_FWHM）高达约20 K，制冷能力（RC）为285.51 mJ/cm^-3，相对冷却功率（RCP）为295.70 mJ/cm^-3，这些特性使其适用于微型工程设计，因其成分成本低、矫顽力小、样品合成技术简便，并且能够在小体积内产生显著的冷却效果。此外，这种制冷剂还可以用于调节常见挥发性有机化合物（VOCs）在室温附近的液化和固化过程。这一发现无疑加深了人们对FHA复杂磁行为和显著磁热效应的理解，因为FHA具有独特的结构、特殊的微观形态以及接近室温的居里温度。

章节摘录

引言

Full Heusler合金系统Mn₂TiSn被报道具有特殊的结构和非常复杂的磁性质。从头算计算理论上预测，在施加压力（P > 0）的情况下，Mn₂TiSn Heusler合金中存在两种磁态的共存。据报道，Mn₂TiSn的磁性质源于其不同磁子晶格之间竞争性的铁磁相互作用和反铁磁相互作用[1]。值得注意的是...

样品制备

首先，采用传统的电弧熔炼方法，在电弧熔炼炉中制备出高质量的非化学计量比的四元多晶块状锭材，其Sn含量约为5克。所需原料金属元素（如Mn、Ti、Fe和Sn）按适当的比例加入。初始原料被倒入铜模（水冷铜炉）中，并在6.0×10^?6 mbar的基压下保持。锭材在高纯度（5N）惰性氩气环境中熔炼。

结构表征

尽管属于Full Heusler合金，但在室温下，Mn₂(Ti_0.2Fe_0.8)Sn体系呈现六方Mg₃Cd或Ni₃Sn型结构，空间群为P63/mmc（空间群编号194），而非立方结构。该空间群的Strukturbericht标识为D0₁₉。图1(c)展示了这种六方结构的Mn₂(Ti_0.2Fe_0.8)Sn样品的传统晶胞。通过结合布拉格衍射定律（2dsinθ = nλ）来求解相关参数...

结论

总之，在高质量的多晶亚稳态Full Heusler合金（FHLA）Mn₂(Ti_0.2Fe_0.8)Sn中，实现了室温（RT）下的磁热响应（MCR），且这种效应在其接近室温的居里温度范围内依然显著。该FHLA具有特殊的Mg₃Cd（或Ni₃Sn）型六方结构（空间群P63/mmc，编号194，Strukturbericht标识-D0₁₉），而非立方L2₁或B2无序结构，这一点通过X射线衍射和拉曼分析得到了证实。差示扫描量热法（DSC）的结果也进一步证实了这一特性。

作者贡献声明

Tapan Kumar Nath：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取与资金申请。Palash Nandi：数据管理。Sourav Mandal：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化与验证、监督、软件使用、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

如需获取支持研究结果的数据，可向作者提出合理请求。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度理工学院卡拉格普尔分校物理系提供的SQUID测量设施。同时感谢Susanta Banerjee教授（IIT Kharagpur材料科学中心）提供的DSC测量设备。作者S. M. 对印度政府大学拨款委员会（UGC）在其五年研究期间提供的财政支持表示衷心感谢（UGC参考编号：1398/CSIR-UGC NET 2018）。