Adv. Funct. Mater.：三維石墨烯材料的室溫龐彈卡效應

鋼鐵俠 1年前 (2022-07-12) 1787瀏覽

近日，南京航空航天大學郭萬林院士團隊的張助華等人通過原子尺度計算與熱力學分析相結合的方式，發現了三維石墨烯架構中的室溫龐彈卡效應，該研究成果以“Room-Temperature Colossal Elastocaloric Effects in Three-Dimensional Graphene Architectures: An Atomistic Study”為題在線發表在《Advanced Functional Materials》上。

制冷技術在日常生活和工業生產中已不可或缺。基于蒸汽壓縮的傳統制冷技術因對環境有害，難以小型化等缺點，發展前景受限。雖然目前已經提出了基于環保制冷劑的非蒸汽壓縮技術，但由于成本高、效率低，仍然缺乏競爭力。近十年來，固態制冷技術由于環境友好，熱響應大等優點被認為是最有希望取代傳統氣體壓縮制冷的選擇。固態制冷效應主要包括磁卡效應、電卡效應、彈卡效應和壓卡效應。然而，早期發展的基于磁卡和電卡效應的固態制冷材料通常需要很大的磁場或電場才能產生較大的溫變，提高了使用成本。鑒于此，由簡單外應變驅動產生溫度變化的彈卡/壓卡效應近期受到了更多的關注。然而，大多數報道的基于相變熱效應的彈卡/壓卡材料往往只在遠離室溫的區間內才表現出大的熱響應，并且存在著機械疲勞和熱滯后問題，導致制冷效率較低。因此，尋找具有低熱滯、高耐疲勞性、高制冷效率的固態制冷材料成為當下固態制冷技術發展的主要目標。

該研究團隊通過大尺度的分子動力學模擬與熱力學分析相結合的方法，系統研究了實驗可制備的三維石墨烯架構中的可逆彈卡效應，并且計算了其彈卡強度與制冷效率。他們發現對于典型的三維石墨烯框架結構，在室溫附近0.7 GPa的壓力下，評估的絕熱溫度變化可以高達155 K，彈卡強度|ΔT|/|Δσ|為300 K GPa^-1，制冷效率COP高達44。與以往報道的大多數固態相變制冷材料不同，該材料的熱響應源于彈性變形導致的體積變化，因此幾乎沒有熱滯后。由于碳體系的強共價鍵作用，三維石墨烯框架表現出了優異的抗疲勞性和高導熱性，有利于實際應用。此外，實現大的溫變所需的壓力可以通過材料的幾何設計顯著降低，進一步提升了低場驅動彈卡效應的應用潛力。更有趣的是，對該材料施加拉伸應變可提高體系的溫度(常規彈卡效應)，而施加壓縮應變則會降低體系的溫度(逆彈卡效應)，使得常規與逆彈卡效應可在同一體系中實現。這項工作為開發新型無相變固態制冷材料提供了新思路，也揭示了多孔納米碳材料新的應用。

郭萬林院士與張助華教授為該工作的共同通訊作者，博士研究生趙志強為第一作者。該項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等的資助。值得一提的是，該團隊不久前還發現了納尺度受限水的室溫巨壓卡效應，以“Giant mechanocaloric effect of nanoconfined water near room temperature”為題發表在Cell出版社旗下的新晉物質科學類子刊《Cell Reports Physical Science》上(https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100822)。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203866

圖1. (a)典型三維石墨烯框架的原子結構示意圖; (b) 基于常規彈卡效應和逆彈卡效應的理想制冷循環示意圖。