01 背景介绍
蒸汽压缩(VC)技术，通过使用氢氟碳化合物(HFC)作为液体制冷剂主导了过去一个世纪的制冷市场。HFC的全球变暖潜能值(GWP)是二氧化碳的2000倍以上，预计到2050年，鉴于全球对制冷的需求迅速增长，氢氟碳化合物的排放量将占相当于二氧化碳排放量的20%。为了克服这些挑战，研究人员已经将重点转向在施加外场时可以提供制冷效果的固态材料。相对于典型VC循环的功率输出，这些被称为热量材料通常需要较大的场强，伴随的热力学循环产生了较低的COP，较小的绝热温度变化。
02 成果掠影
美国加州大学伯克利分校Drew Lilley，Ravi Prasher（通讯作者）提出了使用离子焦耳效应和伴随的热力学循环作为基于热量的全凝固相冷却技术。与其他热效应相比，在低场强作用下，该离子热效应具有更高的绝热温度变化和单位质量和体积熵变。研究证明了一个实际可行性的使用电离热量斯特林制冷循环系统。实验结果表明，相对于卡诺性能系数为30%，使用~0.22伏的电压强度，温度提升高达25°C。相关成果以“Ionocaloric refrigeration cycle”为题新发表于《Science》期刊。
03 图文速览
图1 离子热循环概述。
热力学循环中四个步骤如图1A：(i)将盐与固体混合，将固体冷却到较低熔点；(ii)在较低熔点熔化固体；(iii)将盐从液体中分离，从而加热溶液并提高其熔点；(iv)以更高的熔点从液体结晶成固体。如图1B，离子热循环的T-S图沿不同的恒组分线与卡诺循环相似，（i）等熵（绝热和可逆）混合，（ii）等熵和等温吸热，（iii）等熵分离，以及（iv）等成分和等温散热。图1C显示了在不同电化学场（质量分数）系统的温度-组分(T-Χ)相边界上的每一步的遍历曲线。
图2 EC-NaI系统的离子热效应。
通过量热法确定EC-NaI系统的ΔSisothermal = 802.08 J L-1K-1，大约是基于新戊二醇Barocaloric效应的两倍（图2A），此外，单位质量的ΔSisothermal（图2A和B）是磁，电和弹性热效应的10倍以上。使用约450 J mol-1的电化学电位，研究直接测量了28°C的ΔTadiabatic（图2C），其理论模型数据与研究数据吻合。
图3 实验设置及结果。
本研究的EC-NaI系统中，图3A电渗析过程是一个被分解成工作液和各自充满了0.5M NaI3和1.5 M NaI的电极室系统形成一个对称电池。Na+可以穿过阳离子交换膜（图3A，红色），由于Donnan排斥作用，无法穿过阴离子交换膜（图1A，绿色）。离子热效应装置的相对COPC与温度和冷却功率的关系（图3B和C），在温度跨度为25.76°C的条件下运行的离子发热装置性能相对于卡诺循环是29.5%，冷却功率为5.75 W L-1，与7%效率的弹热装置相比，离子热效应的冷却功率至少大一个数量级（图3C），但在ΔTspan = 1.6°C下运行的电热装置的冷却功率比离子热效应装置大一个数量级以上。
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1696
