用于水基超低溫驅動冷卻的MOF研究

【引言】

利用能源進行制冷應用是一個非常重要并且具有挑戰性的研究方向。用水作為冷卻劑的超低溫驅動吸附式制冷機(ADCs)是一種環保的選擇。開發了新型材料，吸附式制冷機正在重新成為設備。這些材料使用了以前無法實現的低驅動溫度，并保持了高制冷輸出，同時僅使用水作為制冷劑。其中，金屬有機物結構（MOF）這一類吸附劑的吸水性能對這一應用很有效。但在實際條件下長期使用時，擁有高穩定性的，只有少數的MOF。

【成果介紹】

以水為制冷劑的超低溫驅動（T_Driving<80°C）吸附式電池冷卻器（ADC）是一種環境友好的選擇。Dirk Lenzen等人發現了一種納米級金屬有機物結構（MOF），[Al(OH)(C₆H₂O₄S)]，即CAU-23，具有良好的吸附性能（使用Linseis STA PT 1600進行熱重分析）。當p/p0 約為0.3時，其吸水量在0.37 gH2O/g吸附劑，循環穩定性至少為5000個循環。重要的是，這種材料的驅動溫度可以降到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。這些優異的性能是由于其*的晶體結構，可由單晶電子衍射明確得到。通過蒙特卡羅模擬，在原子水平上揭示了CAU-23的吸水機理。CAU-23具有綠色合成的特點，是實現超低溫驅動ADC器件的理想材料。

【圖文導讀】

圖1：CAU-23晶體結構的測定及其細節。a. CAU-23的SEM圖像。b. 利用CAU-23納米單晶cRED數據重建的3D倒易晶格。c. 正、共角AlO₆多面體的重復，形成了CAU-23的無機結構單元。d. 沿著[010]投影的CAU-23的完整結構；為了清楚起見，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（填充符號=吸附；空心符號=解吸）。b. 不同相對水壓下CAU-23的PXRD圖譜。

圖3：CAU-23通道內吸附水分子的優先排列。a. 一個吸附水分子與兩個相鄰的μ-OH位點相互作用，形成強氫鍵。b.沿CAU-23通道橫截面繪制的氫鍵聯接水分子的聚集。c. 裝水渠道俯視圖。

圖4：在5000次循環穩定性測量前后，CAU-23涂層的完整性證明。a. CAU-23在5000次吸附循環之前（紅色）和之后（藍色）的PXRD圖譜。基于晶體結構計算的圖譜（黑色）。b. 重量法測定5000次循環穩定性測定前后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的計算，及與選定新材料的比較。不同溫度下計算的用于ADC裝置的吸附(a)和解吸(b)循環的CAU-23負載。

c. 計算不同驅動溫度下的COP值（假設預期冷卻溫度為10°C，后冷卻溫度為30°C）。

d. 選定化合物在40℃下的吸水曲線。

【結論】

CAU-23是超低溫吸附式制冷機的理想材料。它使此類設備所需的驅動溫度降低至60°C，同時具有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顯著的優點是在60～70°C的驅動溫度下可以很容易地實現，而不會損失性能，為更多廢熱或太陽能熱的利用鋪平道路。CAU-23驅動溫度低、吸水能力高、在低驅動溫度下具有的性能系數和優異穩定性，優于迄今為止在ADC應用中考慮的其他所有微孔材料。同時，其綠色合成具有擴大規模的潛在性，為工業應用提供了可行的前景。