Advanced Functional Materials:碳硼烷体系的庞压卡效应

研究背景

制冷技术在人类社会的诸多领域都发挥着越来越重要的作用。全球目前有数十亿台冰箱、空调和热泵正在运行,预计未来十年的需求仍将快速增长。然而,大部分制冷设备仍采用传统的蒸汽压缩循环技术,不仅依赖于具有高温室效应能力的制冷剂,而且消耗掉全球约25%的电力资源。为了实现碳中和的战略目标,迫切需要建立一种环境友好、高能效的替代制冷技术。利用外场(磁场、电场、压力、应力等)诱发固态相变的新兴制冷技术作为众多解决方案之一而备受关注。有机塑晶中庞压卡效应的发现,极大地推动了固态相变制冷材料的发展。在过去的几年中,压卡材料的性能在多方面均有突破,但要想真正实现压卡制冷的实际应用,还需要更多的努力来设计驱动压力更小、熵变更高、热滞更窄的压卡材料。 不幸的是,这些压卡性能存在内禀互斥性,此消彼长;因此,开发出综合性能优异的压卡制冷材料兼具科学意义与应用价值。

文章概述

近日,中国科学院金属研究所李昺研究员课题组报道了一种新型的塑晶压卡材料体系,即碳硼烷(C2B10H12),包括三种位置异构体:邻碳硼烷(ortho-carborane)、间碳硼烷(meta-carborane)和对碳硼烷(para-carborane)。 这类材料均在室温附近发生由正交相到四方相的结构转变。最重要的是,与目前已报道的有机塑料晶体相比,该体系体现出显著的综合性能优势:单位压力熵变大、相变温度对压力极为敏感、热滞小。同时,它们的压卡性能与三种材料的分子构型有关,对碳硼烷的性能最优,其在30 MPa的小压力下,最大熵变可达106.2 J kg-1 K-1。 该研究不仅表明碳硼烷体系是一类很有前途的室温压卡制冷材料,而且表明精细调节分子构型是提高压卡性能的有效策略。

图文导读:

图1 碳硼烷体系的分子结构与晶体结构。

图2碳硼烷体系分子和晶格的振动。

图3碳硼烷体系的热流曲线。

图4碳硼烷体系在压力诱导下的熵变。

图5碳硼烷体系压力诱导熵变的可逆区间。

图6 碳硼烷体系相变温度对压力的敏感性以及热滞。

图7 邻碳硼烷的绝热温变。

图8 性能对比雷达图。

结论:

该课题组研究了邻碳硼烷、间碳硼烷和对碳硼烷的压卡效应。原位X射线衍射和拉曼散射测量表明,该体系在室温附近发生了正交相到四方相的转变。30 MPa左右的小压力即可完全诱导相变,从而获得较大的熵变。30 MPa的压力可使相变温度升高10 K,体现出极高的压力敏感性。对碳硼烷以其优异的压卡综合性能,成为室温压卡制冷技术有竞争力的候选工质材料。这一研究有望进一步推动压卡制冷技术的发展,并对设计高性能压卡制冷材料提供启发。

该研究受中国科学院“从0到1”项目、中国科学院国际合作项目、国家自然科学基金等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Colossal barocaloric effect in carboranes as a performance tradeoff

Kun Zhang, Ruiqi Song, Ji Qi, Zhe Zhang, Zhao Zhang, Chenyang Yu, Kuo Li, Zhidong Zhang, Bing Li*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202112622

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112622