制冷技術(shù)是人類現(xiàn)代文明的重要基石之一，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與日常生活中均起到了至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)今，以氣體壓縮制冷技術(shù)作為核心的制冷行業(yè)大約貢獻(xiàn)了中國國內(nèi)生產(chǎn)總值的2%，但也消耗了近20%的電力，導(dǎo)致了約7.8%的碳排放。聯(lián)合國《蒙特利爾議定書》之《基加利修正案》對(duì)我國制冷領(lǐng)域提出了嚴(yán)格的減排要求。因此，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均在積極尋找解決方案。近年來，基于固體相變的制冷技術(shù)因無氣體排放而受到廣泛關(guān)注。2019年，塑晶龐壓卡效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為低碳大冷量固態(tài)制冷技術(shù)提供全新的解決方案。然而固態(tài)相變制冷技術(shù)仍然存在一個(gè)突出的內(nèi)稟難題：與氣體壓縮制冷技術(shù)中氣體工質(zhì)的傳質(zhì)傳熱不同，固體只能通過熱傳導(dǎo)傳熱，固體制冷工質(zhì)與換熱器之間必須采用流體來間接換熱，界面熱阻的存在使得系統(tǒng)制冷效率與大功率應(yīng)用受限。因此，能否同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳、大冷量與高換熱效率，成為制冷領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心磁性與熱功能材料研究部的科研人員與合作者發(fā)現(xiàn)了溶解壓卡效應(yīng)，即利壓力調(diào)控的溶解/析出熱來實(shí)現(xiàn)高效制冷。該效應(yīng)可提供巨大冷量，且將制冷工質(zhì)與換熱介質(zhì)合二為一，不但成功破解低碳-大冷量-高換熱效率的“不可能三角關(guān)系”難題，更重要的是該工作超越了以材料相變?yōu)楹诵牡膫鹘y(tǒng)制冷原理框架。該成果于1月22日以“Extreme?barocaloric effect at dissolution”為題發(fā)表在Nature期刊上。
在研究NH4SCN固體的反常龐壓卡效應(yīng)時(shí)，偶然間意識(shí)到該鹽溶解于水會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸熱效應(yīng)。在這一現(xiàn)象的啟發(fā)下，研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)的研究工作。室溫下，溶解溫降隨著濃度變大顯著增加；對(duì)于接近飽和的60 wt% 溶液其溶解過程可在20秒內(nèi)完成，產(chǎn)生近30 K的溫降；該溫降隨著環(huán)境溫度的升高快速升高，在環(huán)境溫度為345 K時(shí)達(dá)到了54 K。利用自研的高壓溫變測(cè)量裝置測(cè)試了壓力循環(huán)過程中的原位溫變，在600 MPa壓力下獲得了26.8 K的溫降。這一溫降數(shù)值顯著超越了當(dāng)前已知的固態(tài)相變制冷材料。運(yùn)用原位同步輻射X射線衍射、拉曼散射和顯微觀察，揭示了該效應(yīng)的物理根源是壓力降低了溶解度；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓力調(diào)控的溶解/析出過程，具有可逆、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)?；谌芙鈮嚎ㄐ?yīng)冷量大與流體換熱特性，設(shè)計(jì)了類卡諾制冷循環(huán)。該循環(huán)包括四個(gè)階段：對(duì)溶液絕熱加壓，溶質(zhì)析出，溶液溫度升高；保持壓力，利用循環(huán)泵使溶液在系統(tǒng)流動(dòng)，在熱端換熱器將熱量等溫耗散至環(huán)境；關(guān)閉循環(huán)泵，絕熱卸載壓力，溶質(zhì)開始快速再溶解，溶液溫度降低；將低溫溶液泵送至冷端換熱器，從熱源等溫吸熱，達(dá)到制冷目的。計(jì)算表明單個(gè)制冷循環(huán)的冷量和效率分別達(dá)到了67 J?g-1和77%。
本工作第一作者分別為金屬所項(xiàng)目研究員張琨、金屬所2025級(jí)博士生劉懿芳和北京高壓科學(xué)研究中心博士生高穎，通訊作者分別為金屬所李昺研究員、北京高壓研究中心李闊研究員、西安交通大學(xué)錢蘇昕教授和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所童鵬研究員，參與該工作的還有南方科技大學(xué)朱金龍教授。本工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃“從0到1”項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助，也得到了SPring-8大科學(xué)裝置機(jī)時(shí)支持。
壓力調(diào)控溶液析出/溶解產(chǎn)生冷量，冷液被泵送至負(fù)載實(shí)現(xiàn)制冷
