用盐做成的冰箱，登上《科学》

“制冷剂的未来仍是个未解决的问题：还没有人成功开发出能高效制冷、安全、对环境无害的替代解决方案，”Lilley说，“我们认为，离子热循环具有实现以上所有目标的潜力。”

虽然叫法有些陌生，但离子热的制冷原理我们都很熟悉。人类很早就注意到，冬天道路结冰时，撒盐可以让冰层融化。无论是以前撒的盐，还是现代使用的专业融雪剂，基本原理都一样：含离子的溶液凝固点比纯水更低，因此当离子加入，即使地表温度在零下，水也不会结冰。

同样， 全新的离子热制冷策略也是使用盐来实现溶剂（相当于上一个案例中的冰）的相变。当溶剂在固态与液态之间转变，就伴随着热量的吸收与释放。相比于磁热、电热等基于固态的制冷，全新的制冷技术有一项额外的优势：处于液态时，制冷剂更容易离开或进入系统，实现热量的转移。

▲动图展示了离子热制冷的基本原理（图片来源：Jenny Nuss/Berkeley Lab）

在这篇仅有两位作者的论文中，Prasher教授和Lilley阐述了离子热循环的基本原理，并且通过计算指出其制冷效率有望与目前的蒸气压缩式制冷相媲美，甚至胜过后者。

在这项研究中， 两位作者还通过一项概念实验验证了离子热制冷的可行性。这项实验用到的盐与溶剂分别是 碘化钠（NaI）和 碳酸乙烯酯（ethylene carbonate）——一种锂电池中常用的有机溶剂。

碘化钠的离子流动可以改变碳酸乙烯酯的凝固点，实现反复的固-液相变：当离子与固态的碳酸乙烯酯结合，就像是在冰上撒了盐，使得碳酸乙烯酯熔化成液体，从周围环境吸收热量；而使用电渗析将碘化钠从混合溶液中移除，碳酸乙烯酯重新凝固结晶，将热量释放。

▲概念实验验证了离子热制冷的可行性（图片来源：参考资料[1]）

在这项概念实验中， 实现25℃的降温幅度只使用了不到1伏特的电压，同时制冷效率达到卡诺循环效率的30%。相比于其他制冷技术，带来的温度变化和制冷效率更加突出。

Prasher教授表示，他们在设计时试图平衡3个问题：制冷剂对全球变暖的影响、能量效率，以及设备本身的成本。从初步实验来看，数据在这3个方面都表现出巨大的潜力。

接下来，研究团队将继续基于这一原型开展实验，思考如何拓展以实现更大规模的制冷、进一步提升温度变化以及效率。“我们创建了这个全新的热动力循环，这个框架汇聚了来自不同领域的元素，我们也展示了其可行性。接下来，我们将测试不同材料与技术的组合，从而应对工程上的挑战。” Prasher教授表示。

参考资料：

[1] Drew Lilley et al, Ionocaloric refrigeration cycle, Science(2022). DOI: 10.1126/science.ade1696

[3] Scientists Just Invented an Entirely New Way to Refrigerate Things. Retrieved Jan. 9th, 2023 from https://www.sciencealert.com/scientists-just-invented-an-entirely-new-way-to-refrigerate-things返回搜狐，查看更多