用于GX水基超低温驱动冷却的MOF

【引言】

       GX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GX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。Z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. diyi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Z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-23Z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zhuo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。