氢气作为一种更环保的能源载体，有望帮助人类迈入基于可再生能源的新能源时代。这重新激发了研究人员对低温（特别是10至80K温度范围）磁制冷的研究兴趣，以期开发出新一代的氢气液化器。然而，寻找理想的低温磁制冷材料是一项极具挑战性的任务。本文对迄今为止在此温度范围内（10-80K）表征的磁制冷化合物材料进行了详细总结，并根据它们的物理化学性质将其分为五大类，为新材料的发现提供指导。
图1 磁制冷是将氢作为能源载体的关键实现技术
本文深入研究了400多种适用于氢液化的低温磁制冷材料，重点介绍了其组成成分、磁热性能和磁相变。根据其物理化学特性，将这些材料分为五类，如图2所示：
(1) 二元和伪二元金属间化合物；
(2) 含主族元素的三元金属间化合物；
(3) 硼化物、氮化物、碳化物和硫族化物（图中标明为稀土非金属）；
(4) 稀土氧化物；
(5) 稀土非晶/高熵合金 (HEA)。
图2 低温磁制冷材料的分类
为了全面了解每一类材料，我们详细介绍了它们的最大磁热效应、应用温度、关键度因子范围，及相对应关键文献。此外，我们还对每类材料的性能进行了评估，并展望了它们未来的发展趋势。我们成功制作了一份用于气体液化的磁制冷材料目录，重点介绍了其中最有前景的成分系列，并指出了相关文献中的不足之处。
此外，最终技术应用的潜力在很大程度上取决于经济方面的考虑。特别地，关键度因子是任何大规模应用实现可持续发展的关键因素。这个概念最初是为了评估金属材料而开发的，目的是评估供应风险、供应限制的脆弱性和环境影响这三个关键因素，以便找到最适合给定工业生产过程的材料。为了比较分析所有材料的潜力，我们采用了根据欧盟委员会规定的不同组成部分的供应风险指数(SRI)。研究表明，除了两种不含稀土的尖晶石外，所考虑的大多数材料都在中等关键度到高关键度之间。此外，其余的高关键度化合物主要由镧系元素构成，通常还含有关键的过渡金属如Pt、Rh、Pd等。然而，我们也发现可以使用一些关键度较低的金属，如Ni，Cu等，来制备出具有良好磁热性能的化合物。因此，从大规模应用的角度考虑，我们应该尽量避免在此特殊应用中选择高关键度的材料。
图3 在考虑加权关键度供应风险指数的情况下，对5 T下各类材料的不同性能比较
在这种情况下，要找到比已知化合物磁性能更好的新材料依然具有挑战性，但并非不可能实现。一个可行的策略是，利用本文提供的全面信息，通过机器学习进行有针对性的搜索，将会加速新材料的研发。此外，本文还揭示了一些尚未对其特性进行系统研究的潜力材料，这对于进一步寻找理想的低温磁制冷材料具有重大参考意义。
总结与展望
在整个研究过程中，我们始终强调材料的选择对于推动氢气液化和磁致伸缩储存装置开发的重要性。在这篇综述中，我们提供了一个系统的数据库，其中包含转变温度在10至80K之间的磁制冷材料。通过使用这个数据库，研究人员可以从实验角度出发，或者使用基于机器学习算法来寻找具有理想性能的新材料。这对于推动基于氢能而有望实现的绿色能源转型有重大意义。
178 0012 6383