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上海交大制冷所ITEWA团队在Nature Communications发表热驱动新型吸附制冷材料研究成果

近日,上海交大制冷与低温工程研究所ITEWA团队和中科院工程热物理所团队在Nature Communications上发表“Ultralow-temperature-driven water-based sorption refrigeration enabled by low-cost zeolite-like porous aluminophosphate”论文。针对传统吸附材料吸附剂性能低下、金属有机框架(MOFs)材料成本高且难以规模化生产的问题,论文开发了吸附性能优良,且具有产业化潜力的、SFO拓扑构型的新型磷酸铝分子筛吸附材料,可实现超低温热源驱动的超高性能吸附制冷。制冷与低温工程研究所博士后许嘉兴为论文共同第一作者,研究员李廷贤为共同通讯作者,教授王如竹对该工作作出了指导和建议。

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图1. SFO多孔磷酸铝材料的晶体结构

新型磷酸铝分子筛材料的骨架结构由双4环、12元环和8元环的通道组成,在700度下依然保持良好的水热稳定性。通过实验测试发现该材料展现了完美的“S形”水吸附等温曲线和极低的吸附焓值(47kJ/mol),吸附阶跃转变相对压力为0.15~0.17、饱和吸附量为0.35 g/g。作者通过分子动力学理论计算,阐明了新型SFO磷酸铝材料的吸附特性,并明晰了其吸附机理,发现SFO材料内部形成的弱氢键网络是实现其低吸附焓值的根本原因。该材料在低温热源(~63°C)驱动下表现出了极为优异的制冷性能系数(COP=0.85),为目前国内外已有报道的最高数值之一,且新型SFO磷酸铝材料展现出了极快的吸附/脱附动力学性能,在5°C蒸发温度与65°C脱附温度工况下,单位质量吸附剂的制冷功率可达到1.1kW/kg,超过了商用吸附剂和现有报道的MOFs吸附材料,且原材料成本仅为MOFs材料的百分之一,具有极大的商业化应用价值。

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图2. SFO多孔磷酸铝材料的水蒸气吸附特性

王如竹领衔的“能源-水-空气”交叉创新团队ITEWA近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Nature Communications、ACS Energy Letters、Matter、ACS Central Science、Nano Energy、Small等国际期刊上,发表了系列高水平论文,该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉,实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。

论文链接https://doi.org/10.1038/s41467-021-27883-4

制冷与低温工程研究所
机械与动力工程学院
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