近日，材料科学与工程学院张虎教授团队选择了NiMn-基Heusler合金体系中分别具有FOMT、SOMT、FOMT+SOMT的三种典型合金，基于主动式热磁发电装置首次系统比较了具有不同相变性质材料的热磁发电性能。从感应电压、功率密度、能量转化效率、成本指数和循环寿命等方面进行了综合对比，并创新提出发电指数（PGI）作为新的性能指标，消除了各种非内在因素造成的对比误差。该成果以“Excellent Thermomagnetic Power Generation for Harvesting Waste Heat via a Second-order Ferromagnetic Transition”(《基于二级铁磁相变实现高效余热回收热磁发电》)为题，以封面文章发表在英国皇家化学会期刊 Materials Horizons 上，并入选为hot article。2022级博士陈浩东为第一作者，张虎教授为通讯作者。
能源问题是世界各国面临的重要问题。近年来，全球能源消耗逐年增长，然而，在工业生产过程中，大量的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃，其体量比其它所有可再生能源的总和还多。尤其300℃以下的低品位余热能源占比超70%，然而回收利用率不到1%，造成巨大能源浪费和环境污染。如何有效回收利用这些余热能源，尤其是低品位能源的回收再利用，是推动节能减排目标亟待解决的难题。热磁发电技术
(TMG) 是一种将低品位余热回收转化为电能的新型技术，近年来受到越来越多的关注。TMG材料的性能是热磁发电技术的关键，以往研究多集中于具有剧烈磁相变的一级磁相变（FOMT）材料，但这类材料往往热滞后大、力学性能差，且使用寿命短，严重阻碍了其实际应用。相比之下，二级磁相变（SOMT）虽然相变较缓，但不存在大的热滞后和内应力，因此更有利于器件设计和实际应用。
张虎教授团队首次系统地比较了同一体系中具有相似成分但不同相变的三种典型 Heusler 合金的热磁发电性能，证明了具有铁磁-顺磁二级磁相变的NiMnIn合金具有最佳的综合TMG性能。NiMnIn合金的热磁发电性能不仅优于其它两种不同相变的Heusler合金，其最大功率密度PD-max（1752.3 mW m–3）、成本指数C0（2.78 μW €–1）和 PGI（8.91×10–4）分别比许多已经被报道的典型TMG材料高1–5、1–4和1–7个数量级。此外，具有SOMT的NiMnIn还表现出一些一级磁相变材料所不具备的优点，如零磁滞、零热滞、良好的力学性能和高循环稳定性。因此，具有SOMT的NiMnIn比FOMT材料更适合于热磁发电的实际应用。
图1. 自主搭建的主动式热磁发电装置（TMG）的结构和工作机制。 (a) 主动式TMG装置的实物图。其中分别以冰水（273 K）和沸水（373 K）作为冷源和热源；(b) 尼龙外壳的俯视图；(c) 尼龙外壳的侧视图；(d) 铜样品仓实物图。铜样品仓由两部分组成，内壁上的四个台阶用于固定样品；(e) TMG循环过程中的温度变化；(f) 本TMG装置的工作机理以及样品在加热和冷却过程中的磁矩变化。
图2. 具有不同相变性质的三种Heusler合金的显微组织和磁学性能。(a) Ni37.5Co12.5Mn35Ti15（Co12.5）、Ni36Co14Mn35.7Ti14.3（Co14）和Ni2Mn1.4In0.6（NiMnIn）的SXRD图谱；(b–d) Co12.5、Co14和NiMnIn的DSC曲线和1 T磁场下的M–T曲线；(e和f) 室温下Co12.5和Co14的HRTEM和SAED图像；(g和h) Co12.5和Co14在加热过程中在不同温度下的原位TEM图像；(i) 室温下具有立方L21奥氏体的NiMnIn的HRTEM和SAED图像；(j–l) Co12.5、Co14和NiMnIn的磁熵随温度和磁场的变化。
图3. 不同合金的实验和模拟感应电压，以及LED灯点亮实验。(a–c) 一个循环中的实验和模拟感应电压以及Co12.5、Co14和NiMnIn分别对应的M–t和dM/dt–t曲线；(d–f) Co12.5、Co14和NiMnIn在一个循环中的总电压。插图显示了这些合金在300秒内的总电压；(g–i) Co12.5、Co14和NiMnIn的LED的断开和导通状态的时间依赖性。
图4. Heusler合金的综合TMG性能对比分析。(a) TMG关键特性的综合评估，包括Co12.5、Co14和NiMnIn的最大电压Vmax、总电压Vtol、相对能量转换效率ηrel、平均功率密度PD-ave和成本指数C0；(b) 具有不同相变的Heusler合金在30分钟内的感应电压随时间的变化。放大图显示了300次循环后出现裂纹而导致具有FOMT的Co14的Vmax波动的增加；(c) 450次循环后所有合金的表面形态，以及Co14和Co14-2合金裂纹周围的SEM图像和元素分布；(d) 循环寿命测试装置；(e) NiMnIn合金在0、1、2、3、7、14、21和30天的加热和冷却循环后的表面形态；(f) Ni2Mn1.4In0.6的PD-max、ηrel和C0与基于传统磁路的其他典型TMG材料的综合比较；(g) 基于传统磁路的TMG器件，Ni2Mn1.4In0.6的发电指数PGI与基于传统磁路的其他典型TMG材料的综合比较。
论文信息：
Excellent Thermomagnetic Power Generation for Harvesting Waste Heat via a Second-order Ferromagnetic Transition.
Haodong Chen, Xianliang Liu, Yao Liu, Longlong Xie, Ziyuan Yu, Kaiming Qiao, Mingze Liu, Fengxia Hu, Baogen Shen, R. V. Ramanujan, Ke Chu, Hu Zhang*（张虎，北京科技大学）
Materials Horizons, 2024, 11, 2603-2614
DOI：10.1039/d3mh02225k（论文链接）
（供图：材料学院）
（责编：付云笛）
