用于水基超低溫驅(qū)動(dòng)冷卻的MOF研究

【引言】

利用能源進(jìn)行制冷應(yīng)用是一個(gè)非常重要并且具有挑戰(zhàn)性的研究方向。用水作為冷卻劑的超低溫驅(qū)動(dòng)吸附式制冷機(jī)(ADCs)是一種環(huán)保的選擇。開(kāi)發(fā)了新型材料，吸附式制冷機(jī)正在重新成為設(shè)備。這些材料使用了以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的低驅(qū)動(dòng)溫度，并保持了高制冷輸出，同時(shí)僅使用水作為制冷劑。其中，金屬有機(jī)物結(jié)構(gòu)（MOF）這一類(lèi)吸附劑的吸水性能對(duì)這一應(yīng)用很有效。但在實(shí)際條件下長(zhǎng)期使用時(shí)，擁有高穩(wěn)定性的，只有少數(shù)的MOF。

【成果介紹】

以水為制冷劑的超低溫驅(qū)動(dòng)（T_Driving<80°C）吸附式電池冷卻器（ADC）是一種環(huán)境友好的選擇。Dirk Lenzen等人發(fā)現(xiàn)了一種納米級(jí)金屬有機(jī)物結(jié)構(gòu)（MOF），[Al(OH)(C₆H₂O₄S)]，即CAU-23，具有良好的吸附性能（使用Linseis STA PT 1600進(jìn)行熱重分析）。當(dāng)p/p0 約為0.3時(shí)，其吸水量在0.37 gH2O/g吸附劑，循環(huán)穩(wěn)定性至少為5000個(gè)循環(huán)。重要的是，這種材料的驅(qū)動(dòng)溫度可以降到60°C，這樣就可以利用大部分未使用的熱源，并能更有效地利用能源。這些優(yōu)異的性能是由于其*的晶體結(jié)構(gòu)，可由單晶電子衍射明確得到。通過(guò)蒙特卡羅模擬，在原子水平上揭示了CAU-23的吸水機(jī)理。CAU-23具有綠色合成的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)超低溫驅(qū)動(dòng)ADC器件的理想材料。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：CAU-23晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定及其細(xì)節(jié)。a. CAU-23的SEM圖像。b. 利用CAU-23納米單晶cRED數(shù)據(jù)重建的3D倒易晶格。c. 正、共角AlO₆多面體的重復(fù)，形成了CAU-23的無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)單元。d. 沿著[010]投影的CAU-23的完整結(jié)構(gòu)；為了清楚起見(jiàn)，省略水分子。

圖2：CAU-23的吸水性能。a. 在三種不同溫度下記錄的吸水等溫線(xiàn)（填充符號(hào)=吸附；空心符號(hào)=解吸）。b. 不同相對(duì)水壓下CAU-23的PXRD圖譜。

圖3：CAU-23通道內(nèi)吸附水分子的優(yōu)先排列。a. 一個(gè)吸附水分子與兩個(gè)相鄰的μ-OH位點(diǎn)相互作用，形成強(qiáng)氫鍵。b.沿CAU-23通道橫截面繪制的氫鍵聯(lián)接水分子的聚集。c. 裝水渠道俯視圖。

圖4：在5000次循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)量前后，CAU-23涂層的完整性證明。a. CAU-23在5000次吸附循環(huán)之前（紅色）和之后（藍(lán)色）的PXRD圖譜?；诰w結(jié)構(gòu)計(jì)算的圖譜（黑色）。b. 重量法測(cè)定5000次循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)定前后CAU-23涂層吸水能力與純納米粉體的比較。

圖5：CAU-23的ADC溫度邊界和制冷性能系數(shù)的計(jì)算，及與選定新材料的比較。不同溫度下計(jì)算的用于ADC裝置的吸附(a)和解吸(b)循環(huán)的CAU-23負(fù)載。

c. 計(jì)算不同驅(qū)動(dòng)溫度下的COP值（假設(shè)預(yù)期冷卻溫度為10°C，后冷卻溫度為30°C）。

d. 選定化合物在40℃下的吸水曲線(xiàn)。

【結(jié)論】

CAU-23是超低溫吸附式制冷機(jī)的理想材料。它使此類(lèi)設(shè)備所需的驅(qū)動(dòng)溫度降低至60°C，同時(shí)具有0.37 gH2O/g吸附劑的高吸收容量，并提供10°C的低冷卻溫度。CAU-23顯著的優(yōu)點(diǎn)是在60～70°C的驅(qū)動(dòng)溫度下可以很容易地實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)損失性能，為更多廢熱或太陽(yáng)能熱的利用鋪平道路。CAU-23驅(qū)動(dòng)溫度低、吸水能力高、在低驅(qū)動(dòng)溫度下具有的性能系數(shù)和優(yōu)異穩(wěn)定性，優(yōu)于迄今為止在ADC應(yīng)用中考慮的其他所有微孔材料。同時(shí)，其綠色合成具有擴(kuò)大規(guī)模的潛在性，為工業(yè)應(yīng)用提供了可行的前景。