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用于水基超低温驱动冷却的MOF研究

点击次数:124  发布时间:2019-11-27

【引言】

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。开发了新型材料,吸附式制冷机正在重新成为设备。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(TDriving<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。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、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。 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。

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