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 隨著氣溫飆升，空調(diào)開啟。冷卻需要消耗大量能源——這會給電網(wǎng)帶來壓力，并增加仍然依賴化石燃料的國家的排放量。


全球近 20% 的電力用于冷卻建筑物。如果不加以控制，到 2035 年，這個數(shù)字可能會增加兩倍。一個解決方案：開發(fā)技術(shù)以提高冷卻效率。



太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 的研究人員正在開發(fā)一種替代冷卻技術(shù)，該技術(shù)使用吸附（帶有“d”）——通過吸附材料吸附和釋放制冷劑化合物。為了尋找各種納米多孔材料作為吸附劑，研究人員轉(zhuǎn)向了共價有機聚合物 (COP)。COP 可以吸附比現(xiàn)有最佳替代品多三倍的制冷劑，從而實現(xiàn)更高效的冷卻。


但是關(guān)于這個最近的發(fā)現(xiàn)是如何產(chǎn)生的故事有點出乎意料。材料中的小缺陷以完全不完美的方式增加了吸附。


更高效的冷卻


世界上的一些重大發(fā)現(xiàn)是偶然發(fā)現(xiàn)的，例如尼龍、微波爐的發(fā)明，甚至防碎玻璃。在冷卻的情況下，一些小故障導致了大洞察。


在過去十年中，PNNL 實驗室研究員 Pete McGrail 和 Motkuri 及其團隊一直在研究能夠更有效地吸附其吸附冷卻技術(shù)中使用的常見制冷劑的材料。他們在設(shè)計不同類型的承載制冷劑的多孔材料方面取得了長足的進步。但他們認為其他納米多孔材料可能存在未開發(fā)的潛力，包括 COP。



隨著氣候問題的持續(xù)增長，找到減少能源消耗的方法，例如通過替代和更有效的冷卻，絕對是必須的，麥格雷爾說，這項研究建立在我們 2017 年 R&D 100 獲獎冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上。


聚合物用于各行各業(yè)，從洗發(fā)水到宇航服。它們可以與其他元素結(jié)合以達到不同的目的——例如，當與碳結(jié)合時，它們可以變成聚酯和尼龍。


該團隊測試了 23 種不同的 COP，以了解它們在吸附冷卻或制冷方面的潛力。大多數(shù)吸附容量低，這意味著它們不能再吸附并達到最大值。但是，有兩個沒有——吸附增加了。并不斷攀登。


當我們測試吸附能力時，我們認為儀器有問題。速率遠高于我們的預期，Motkuri 說。


于是，他們又試了一次。他們得到了相同的結(jié)果。兩種化合物，稱為 COP-2 和 COP-3，具有極高的吸附能力。它們是如此之高，以至于超出了研究人員的預期。因此，Motkuri 聯(lián)系了法國的合作者、蒙彼利埃大學的 Guillaume Maurin，他在分子模擬方面具有專業(yè)知識，以預測這兩種聚合物的吸附。


COP-2 和 COP-3 就像一個緊身衣，是碳和氮的化學環(huán)，全部堆疊在一起。他們不得不拆開每一層的包裝，看看它是如何影響吸附的。


奇怪的是，模擬的 COP-2 和 COP-3 結(jié)構(gòu)模型并沒有導致他們在實驗室工作臺上看到的吸附水平。在模擬中，吸附趨于穩(wěn)定。然而，在實驗室中，它呈指數(shù)級攀升。


那時我們意識到發(fā)生了其他事情，Motkuri 說，而且，我們的團隊有個主意。根據(jù)先前的工作，研究人員知道小缺陷在吸附中起著有趣的作用。如果我們在模擬中為這些 COP 結(jié)構(gòu)模型添加缺陷會怎樣？


不屬于缺陷的缺陷


Maurin 和他的團隊使用模擬通過去除環(huán)上的一些化學特征在材料中產(chǎn)生小孔或缺陷。


那時我們看到了神奇的事情發(fā)生，Motkuri 說。吸附增加，對高度缺陷聚合物的吸附與實驗室結(jié)果一致。


他們發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)略缺陷增強了 COP 的吸附，這解釋了他們在實驗室中看到的吸附率增加。


我們在實驗室測試的兩個 COP 一開始就存在缺陷，Maurin 說，有時事情會成功，即使有點出乎意料。



為什么高效冷卻對氣候如此重要？


在炎熱的夏日，降溫不僅僅是為了舒適。極端高溫是一種致命的健康危害。隨著全球氣溫升高，一些人口稠密的地區(qū)可能會變得太熱而無法在一年中的某些部分居住。


此外，未來的電力需求預計會攀升，而空調(diào)已經(jīng)消耗了大量能源。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，2019 年，美國 8.5% 的電力消耗來自空調(diào)。在全球范圍內(nèi)，隨著冷卻系統(tǒng)數(shù)量的增加、人口的增長和收入的增加，電網(wǎng)可能會不堪重負，從而使更多人能夠負擔得起空調(diào)。


這在能源不是來自綠色來源的地區(qū)變得尤為重要。在目前不太常見的國家，如印度尼西亞或印度，空調(diào)預計將大幅增加。


高性能空調(diào)可以將制冷的能源需求減少一半。開發(fā)推動更高效冷卻的技術(shù)是一個關(guān)鍵目標，特別是因為冷卻所需的能源預計將在未來 30 年增加兩倍。開發(fā)更高效冷卻的技術(shù)有助于緩解迅速變暖的世界中的挑戰(zhàn)。

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來源：賢集網(wǎng)
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