混合界面技术引领环保冷却材料革命

混合界面技术引领环保冷却材料革命

由于极端天气和全球变暖,夏季使用空调的人正迅速增加。根据国际能源署(IEA)在2018年发布的报告,截至2016年,全球约有16亿台空调运行,由于收入和生活水平提高,预计2050年将运行约56亿台空调。

美国,英国和欧洲等主要国家(包括韩国)正在推行“绿色新政”政策,以追求低碳和生态友好型经济,而空调使用量的增加则需要新型环保冷却系统。氟利昂气和氟基制冷剂主要用作空调制冷剂,它们破坏臭氧层并导致全球变暖。用电动机压缩制冷剂并强行将热风排放到室外机的空调会消耗大量电力,并且室外机产生的热量会引起热岛现象,其中大城市的平均温度高于周围地区的平均温度。

作为环保型,耗电量少的下一代冷却系统之一,“吸附式空调”通过使用水和吸附剂(自然制冷剂)以及工业废热来同时解决制冷和制热问题。在典型的冷却系统中,液态制冷剂被转化为气体并从周围环境吸收热量。当气态制冷剂被压缩并返回到液体中时,会消耗大量电能并产生热量。另一方面,吸附式空调器和加热器使用吸附剂,该吸附剂吸收水分子以促进冷却并在施加热量时排出水分子,因此它们的耗电量约为普通空调的十分之一。

○金属有机骨架(MOF)作为一种环保的冷却系统材料备受关注)吸附式空调的原理已被设计了很长时间。但是,如果没有合适的吸附剂,则无法实现。理想的吸附剂应充分吸收蒸发的水分子,并在80摄氏度以下加热时再次释放它们。

用作吸附剂的材料是分子中带有孔的多孔材料。多孔材料具有通过离子交换在预定位置吸收水分子然后再次将其呼出的特性。沸石是一种代表性的多孔材料,是从火山喷发流出的熔岩遇到海水时,通过化学反应形成的矿物。它具有三维结构,其中碱金属或碱土金属与硅(Si),铝(Al)和氧(O)原子构成的骨架结合。相对于重量,可被吸附的水分子的数量(吸附能力)相对较小,并且仅在超过150摄氏度的高温下吐出水分子。二氧化硅在80度时会喷出水分子,但其吸附能力很低。

韩国化学技术研究所(CCP收敛研究组)的烯烃分离团队是基于混合界面的未来材料研究组的成员,他关注主要在美国和法国开发的金属有机骨架(MOF)。MOF是一种多孔材料,其中规则地排列孔,然后是配体,后者是形成无机金属氧化物主链的细长有机材料。从理论上讲,MOF可以由多种类型制成,因为孔的数量,形状和结构根据用于合成的金属氧化物和配体的类型而不同。烯烃分离团队负责人Woo-Hwang Lee说:“截至2017年,发现了约80,000种MOF,其中约有10,000种可用作吸附剂。与260种沸石相比,还有很多。”

MOF由于具有大量的孔而具有高的比表面积,因此可以吸附许多水分子。当在箱形图中具有相同尺寸的多个隔板时,比表面积随着颗粒的每单位质量的表面积增加而增加。

自2000年代以来,研究团队与法国国家科学研究中心(CNRS)合作开发了各种MOF,并开创了应用领域。在2008年使用MOF开发了一种湿气吸附剂并获得了原始专利后,烯烃分离团队生产的MOF中有八种以上已在韩国,日本,美国和欧洲获得了专利。相关研究发表在国际学术期刊《先进材料》(2012),《自然材料》(2015),《自然能源》(2018)和《自然通讯》(2020)上。

混合界面技术引领环保冷却材料革命
韩国化学技术研究院的烯烃分离小组开发的金属有机骨架(MOF)。

○使用不同的材料界面特性来匹配下一代吸附剂的最后难题。吸附水分子的空间很大,但是在吸附式空调器中使用MOF还需要两个条件。一种是必须在低温下吐出水分子,另一种是必须将它们加工成产品形式。由于MOF性质是由粉末或微晶制成的,因此必须使用粘合材料将颗粒附着起来以形成所需的形状。但是,其缺点在于,粘合材料堵塞了MOF的孔,导致性能较差。烯烃研究团队能够将此条件添加到“混合界面”中。

混合界面是指通过组合具有不同特性的材料来创建新材料的机制。之所以使用此名称,是因为新属性主要出现在物质相遇的界面(接口)上。使用一种混合界面的结果是,研究团队通过结合金属氧化物和配体制成了多孔材料。它可以作为一种未来的材料技术而受到关注,因为它可以从现有材料中创建新材料。“当两种材料组合在一起时,可能会出现超出原始属性的属性,或者它们可能具有相反的属性,” Lee解释说。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

研究人员首先将其他多孔材料MOF通过颗粒之间的键合,它具有在保持整体结构的同时容易吸附和分散水分子的特性。随后,改变MOF的孔表面上的分子或将其添加到其他分子中以控制水分子良好地粘附。利用该原理,增加了水分子的吸附能力,并调节了附着在其上的水分子的强度,从而在60至90摄氏度的温度下吐出水分子。

研究小组正在努力在使用MOF的家用空调系统商业化之前优化系统。使用MOF的除湿机也正在用类似的技术研究。用电将空气中的水分压缩成液体的除湿器的缺点是散发了当气态水变成液体时产生的热量。运用MOF的吸附式制冷制热系统原理,不需电即发热量低,并排出非热空气。如果在其前面放置一个简单的降温装置,则只能排出室温以下的空气。

该研究团队的目标是明年与一家国内公司合作推出一种吸附式除湿机和空调的原型机,并在两年内投放市场。

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