用于高效水基超低温驱动冷却的MOF研究

【引言】

高效利用能源进行制冷应用是一个非常重要并且具有挑战性的研究方向。用水作为冷却剂的超低温驱动吸附式制冷机(ADCs)是一种环保的选择。开发了新型高效材料，吸附式制冷机正在重新成为尖端设备。这些材料使用了以前无法实现的低驱动温度，并保持了高制冷输出，同时仅使用水作为制冷剂。其中，金属有机物结构（MOF）这一类吸附剂的吸水性能对这一应用很有效。但在实际条件下长期使用时，拥有高稳定性的，只有少数的MOF。

【成果介绍】

以水为制冷剂的超低温驱动（T_Driving<80°C）吸附式电池冷却器（ADC）是一种环境友好的选择。Dirk Lenzen等人发现了一种纳米级金属有机物结构（MOF），[Al(OH)(C₆H₂O₄S)]，即CAU-23，具有良好的吸附性能（使用Linseis STA PT 1600进行热重分析）。当p/p0 约为0.3时，其吸水量在0.37 gH2O/g吸附剂，循环稳定性至少为5000个循环。最重要的是，这种材料的驱动温度可以降到60°C，这样就可以利用大部分未使用的热源，并能更有效地利用能源。这些优异的性能是由于其独特的晶体结构，可由单晶电子衍射明确得到。通过蒙特卡罗模拟，在原子水平上揭示了CAU-23的吸水机理。CAU-23具有绿色合成的特点，是实现超低温驱动ADC器件的理想材料。

【图文导读】

图1：CAU-23晶体结构的测定及其细节。a. CAU-23的SEM图像。b. 利用CAU-23纳米单晶cRED数据重建的3D倒易晶格。c. 正、反共角AlO₆多面体的重复，形成了CAU-23的无机结构单元。d. 沿着[010]投影的CAU-23的完整结构；为了清楚起见，省略水分子。

图2：CAU-23的吸水性能。a. 在三种不同温度下记录的吸水等温线（填充符号=吸附；空心符号=解吸）。b. 不同相对水压下CAU-23的PXRD图谱。

图3：CAU-23通道内吸附水分子的优先排列。a. 第一个吸附水分子与两个相邻的μ-OH位点相互作用，形成强氢键。b.沿CAU-23通道横截面绘制的氢键联接水分子的聚集。c. 装水渠道俯视图。

图4：在5000次循环稳定性测量前后，CAU-23涂层的完整性证明。a. CAU-23在5000次吸附循环之前（红色）和之后（蓝色）的PXRD图谱。基于晶体结构计算的图谱（黑色）。b. 重量法测定5000次循环稳定性测定前后CAU-23涂层吸水能力与纯纳米粉体的比较。

图5：CAU-23的ADC温度边界和制冷性能系数的计算，及与选定最新材料的比较。不同温度下计算的用于ADC装置的吸附(a)和解吸(b)循环的CAU-23负载。

c. 计算不同驱动温度下的COP值（假设预期冷却温度为10°C，后冷却温度为30°C）。

d. 选定化合物在40℃下的吸水曲线。

【结论】

CAU-23是超低温吸附式制冷机的理想材料。它使此类设备所需的驱动温度降低至60°C，同时具有0.37 gH2O/g吸附剂的高吸收容量，并提供10°C的低冷却温度。CAU-23最显著的优点是在60～70°C的驱动温度下可以很容易地实现，而不会损失性能，为更多废热或太阳能热的利用铺平道路。CAU-23驱动温度低、吸水能力高、在低驱动温度下具有卓越的性能系数和优异稳定性，优于迄今为止在ADC应用中考虑的其他所有微孔材料。同时，其绿色合成具有扩大规模的潜在性，为工业应用提供了可行的前景。