Síntesis y caracterización de aleaciones magnetocalóricas HoB2 y Ho0.8Gd0.2B2 para la licuefacción de hidrógeno

Abstract

"La transición hacia una sociedad que utilice energías limpias ha colocado al hidrógeno como un fuerte candidato a sustituir los combustibles fósiles. Sin embargo, su utilización y manejo requiere de tecnologías que consigan licuarlo para usarlo y transportarlo eficientemente. En este sentido las aleaciones que presentan transición de fase magnética de segundo orden y elevado efecto magnetocalórico en temperaturas cercanas a su licuefacción ( 20 K) resultan de gran interés. La presente tesis aborda la síntesis de las aleaciones Ho1-xGdxB2, con x= 0.0 y 0.2, obtenidas mediante la fundición por arco eléctrico bajo atmósfera de Ar, así como su caracterización estructural, magnética y magnetocalórica. Se subraya la dificultad que supone la síntesis debido a la diferencia de densidad y de punto de fusión que presentan el B y los elementos de tierra rara empleados. La fase principal que se forma en ambas aleaciones muestra una estructura cristalina hexagonal (con grupo espacial P6/mmm) y es ferromagnética, con una temperatura de Curie, TC, de 15.8 K y 24.8 K para las aleaciones HoB2 y Ho0.8Gd0.2B2, respectivamente. Tanto los análisis por difracción de rayos X como las imágenes por microscopía electrónica de barrido muestran que la fase hexagonal coexiste con el HoB4 como fase secundaria. Esta última posee estructura tetragonal (con grupo espacial P4/mbm) y presenta transición antiferromagnética a una temperatura de Néel 7.1 K. El mapeo químico elemental confirmó la distribución homogénea de los elementos en las aleaciones. Ambas aleaciones muestran elevados valores de variación de entropía magnética máxima (|ΔSM|max) y capacidad de refrigeración (RC) a una variación de campo de 5.0 T. Para la aleación HoB2 |ΔSM|max = 39.3 J kg-1 K-1 y RC = 804 J kg-1, mientras que para la aleación Ho0.8Gd0.2B2, |ΔSM|max = 28.0 J kg-1 K-1 y RC = 819 J kg-1. Estos valores que son comparables con los que están reportados en la literatura para ambas aleaciones."

"The transition towards a society that uses clean energies has positioned hydrogen as a strong candidate to replace fossil fuels. However, its use and handling demand technologies for its liquefaction and efficient use and transportation. In this regard, alloys exhibiting second-order magnetic phase transition and high magnetocaloric effect at temperatures close to the liquefaction point ( 20 K) are of great interest. This thesis addresses the synthesis of Ho1-xGdxB2 alloys, with x= 0.0 and 0.2, prepared through Ar arc melting and their structural, magnetic, and magnetocaloric characterization. We underline the difficulty in synthesizing these alloys which arises from the significant difference in density and melting point between B and the rare earth elements. The main phase formed in both alloys shows a hexagonal crystal structure with space group P6/mmm. It is ferromagnetic, with a Curie temperature TC, of 15.8 K and 24.8 K for the HoB2 and the Ho0.8Gd0.2B2 alloy, respectively. Both, X-ray diffraction analysis and scanning electron spectroscopy images show that the hexagonal phase coexists with the secondary phase HoB4. This phase is antiferromagnetic below 7.1 K and shows a tetragonal crystal structure (with space group P4/mbm). Elemental mappings confirmed the homogeneous distribution of elements in the alloys. Both alloys show high values of maximum magnetic entropy variation (|ΔSM|max) and refrigerant capacity (RC) at a field variation of 5.0 T. For the HoB2 alloy, |ΔSM|max = 39.3 J kg-1 K-1 and RC = 804 J kg-1, while for the Ho0.8Gd0.2B2 alloy, |ΔSM|max = 28.0 J kg-1 K-1 and RC = 819 J kg-1. These values are comparable to those reported in the literature for both alloys."