制冷技術是人類現(xiàn)代文明的重要基石之一，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與日常生活中均起到了至關重要的作用?，F(xiàn)今，以氣體壓縮制冷技術作為核心的制冷行業(yè)大約貢獻了中國國內(nèi)生產(chǎn)總值的2%，但也消耗了近20%的電力，導致了約7.8%的碳排放。聯(lián)合國《蒙特利爾議定書》之《基加利修正案》對我國制冷領域提出了嚴格的減排要求。因此，學術界和工業(yè)界均在積極尋找解決方案。近年來，基于固體相變的制冷技術因無氣體排放而受到廣泛關注。2019年，塑晶龐壓卡效應的發(fā)現(xiàn)，為低碳大冷量固態(tài)制冷技術提供全新的解決方案。然而固態(tài)相變制冷技術仍然存在一個突出的內(nèi)稟難題：與氣體壓縮制冷技術中氣體工質(zhì)的傳質(zhì)傳熱不同，固體只能通過熱傳導傳熱，固體制冷工質(zhì)與換熱器之間必須采用流體來間接換熱，界面熱阻的存在使得系統(tǒng)制冷效率與大功率應用受限。因此，能否同時實現(xiàn)低碳、大冷量與高換熱效率，成為制冷領域的關鍵問題。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心磁性與熱功能材料研究部的科研人員與合作者發(fā)現(xiàn)了溶解壓卡效應，即利壓力調(diào)控的溶解/析出熱來實現(xiàn)高效制冷。該效應可提供巨大冷量，且將制冷工質(zhì)與換熱介質(zhì)合二為一，不但成功破解低碳-大冷量-高換熱效率的“不可能三角關系”難題，更重要的是該工作超越了以材料相變?yōu)楹诵牡膫鹘y(tǒng)制冷原理框架。該成果于1月22日以“Extreme?barocaloric effect at dissolution”為題發(fā)表在Nature期刊上。
在研究NH4SCN固體的反常龐壓卡效應時，偶然間意識到該鹽溶解于水會產(chǎn)生強烈的吸熱效應。在這一現(xiàn)象的啟發(fā)下，研究團隊開展了系統(tǒng)的研究工作。室溫下，溶解溫降隨著濃度變大顯著增加；對于接近飽和的60 wt% 溶液其溶解過程可在20秒內(nèi)完成，產(chǎn)生近30 K的溫降；該溫降隨著環(huán)境溫度的升高快速升高，在環(huán)境溫度為345 K時達到了54 K。利用自研的高壓溫變測量裝置測試了壓力循環(huán)過程中的原位溫變，在600 MPa壓力下獲得了26.8 K的溫降。這一溫降數(shù)值顯著超越了當前已知的固態(tài)相變制冷材料。運用原位同步輻射X射線衍射、拉曼散射和顯微觀察，揭示了該效應的物理根源是壓力降低了溶解度；同時，發(fā)現(xiàn)壓力調(diào)控的溶解/析出過程，具有可逆、響應迅速等優(yōu)點?；谌芙鈮嚎ㄐ淞看笈c流體換熱特性，設計了類卡諾制冷循環(huán)。該循環(huán)包括四個階段：對溶液絕熱加壓，溶質(zhì)析出，溶液溫度升高；保持壓力，利用循環(huán)泵使溶液在系統(tǒng)流動，在熱端換熱器將熱量等溫耗散至環(huán)境；關閉循環(huán)泵，絕熱卸載壓力，溶質(zhì)開始快速再溶解，溶液溫度降低；將低溫溶液泵送至冷端換熱器，從熱源等溫吸熱，達到制冷目的。計算表明單個制冷循環(huán)的冷量和效率分別達到了67 J?g-1和77%。
本工作第一作者分別為金屬所項目研究員張琨、金屬所2025級博士生劉懿芳和北京高壓科學研究中心博士生高穎，通訊作者分別為金屬所李昺研究員、北京高壓研究中心李闊研究員、西安交通大學錢蘇昕教授和中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所童鵬研究員，參與該工作的還有南方科技大學朱金龍教授。本工作得到了國家自然科學基金和中國科學院前沿科學重點研究計劃“從0到1”項目等項目的資助，也得到了SPring-8大科學裝置機時支持。
壓力調(diào)控溶液析出/溶解產(chǎn)生冷量，冷液被泵送至負載實現(xiàn)制冷
