保持凉爽而不使地球变暖
化学助理教授Jarad Mason和合著者Jinyoung Seo
化学助理教授Jarad Mason(左)和合著者Jinyoung Seo开发了一种新型固态制冷剂，可以实现节能和零排放冷却。
一种革命性的新机制可以开启环保空调夏天的难题就像所罗门王一样:如何在高温高湿的日子里保持凉爽，而不使用传统的空调，因为传统空调消耗大量的电力，并排放强烈的导致气候变化的温室气体。
答案可能涉及一种新型固态制冷剂，它可以实现节能和零排放的冷却。现在，来自化学和化学生物学系的研究人员已经开发出一种环境友好的机制，可以用二维钙钛矿实现固态冷却。他们的发现发表在《自然通讯》的一项新研究中。
该论文的第一作者、化学和化学生物学助理教授贾拉德·梅森(Jarad Mason)说:“放弃蒸汽压缩系统已经使用了很长一段时间，这是推动更可持续未来的整体努力的关键部分。”“我们的重点是深入研究这些材料的内在特性，看看固态冷却作为一种可持续的替代品有什么可能性。”
这种二维钙钛矿也被称为重热量材料，当它们膨胀和收缩时，会随着压力的变化而释放和吸收热量。这种效应是基于一种你可能很熟悉的现象，如果你曾经拉伸过气球，感觉它在你的嘴唇上变热。同样，这些材料在受压时也会释放热量。在不释放任何有害排放物的情况下，这种机制可以消除热量在固态使用低驱动压力。
这项工作由梅森实验室的成员领导，包括Jinyoung Seo、Ryan D. McGillicuddy、Adam H. Slavney、Selena Zhang’22、Rahil Ukani和x射线实验室主任Shao-Liang Zheng。该公司还与位于伊利诺伊州莱蒙特的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家合作进行了高级测试。
这种固态冷却的新机制有可能克服传统蒸气压缩冷却技术的局限性，这种技术自20世纪初以来基本没有改变。
任何一种制冷系统都在一个循环中运行，从低熵状态(材料可以吸收热量，从而冷却空间)到高熵状态(能量可以在散热器中释放，在散热器中消散)。蒸汽压缩空调循环挥发性液体制冷剂，这种制冷剂在不同的压力下通过金属盘管蒸发和冷凝，冷却封闭的空间，并将热量喷射到室外。运行蒸汽压缩循环是能源密集型的，目前占世界各地建筑用电量的近20%。此外，泄漏的制冷剂是比二氧化碳强1000多倍的温室气体。
这种新机制(如图)可以取代传统的蒸汽压缩冷却技术，后者自20世纪初以来基本没有改变。
该团队确定二维钙钛矿是理想的替代品，因为它们可以在最小的压力下发生可逆的相变，同时保持固体状态;一种材料的熵改变越多，它的冷却循环就越有效。当有机双层结构的碳氢链在有序和无序状态之间切换时，它们能够经历巨大的熵变化，研究小组预计，二维钙钛矿可以作为一种高度可调的固态冷却材料，可以在比想象中更低的压力下工作。
研究小组在他们的实验室合成了这些材料，并在高压量热计中测试它们，以测量在不同的压力和温度下材料热流的变化。这些实验揭示了在一个潜在的制冷循环中可以除去多少热量，以及需要多少压力来驱动这个循环。
梅森说:“一旦我们开始测试这种材料，我们就意识到，我们可以用非常小的压力变化来消除非常大的热量。”“从那时起，我们就知道这里会有一些有趣的东西。”
研究人员还在阿贡进行了高压粉末x射线衍射实验，以了解分子水平上的相变化。通过x射线同步加速器，研究小组能够描述每种材料在不同温度和压力下的结构变化。
Seo说:“这些材料除了有前景的性能外，还值得研究。它们还可以帮助化学家理解对大规模实现这项技术至关重要的基本性质。”
梅森实验室下一步计划制作热量冷却装置的原型，同时继续探索不同材料的潜在用途。
徐教授表示:“很有可能在原型设备上使用新一代材料。”“我们正在努力开发新技术来应对冷却挑战。”
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