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 隨著氣溫飆升，空調開啟。冷卻需要消耗大量能源——這會給電網帶來壓力，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，這個數字可能會增加兩倍。一個解決方案：開發技術以提高冷卻效率。



太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 的研究人員正在開發一種替代冷卻技術，該技術使用吸附（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，研究人員轉向了共價有機聚合物 (COP)。COP 可以吸附比現有最佳替代品多三倍的制冷劑，從而實現更高效的冷卻。


但是關于這個最近的發現是如何產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現是偶然發現的，例如尼龍、微波爐的發明，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中使用的常見制冷劑的材料。他們在設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的潛力，包括 COP。



隨著氣候問題的持續增長，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 獲獎冷卻技術的基礎上。


聚合物用于各行各業，從洗發水到宇航服。它們可以與其他元素結合以達到不同的目的——例如，當與碳結合時，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，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 結構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，吸附趨于穩定。然而，在實驗室中，它呈指數級攀升。


那時我們意識到發生了其他事情，Motkuri 說，而且，我們的團隊有個主意。根據先前的工作，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 結構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上的一些化學特征在材料中產生小孔或缺陷。


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


他們發現戰略缺陷增強了 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，而空調已經消耗了大量能源。根據國際能源署的數據，2019 年，美國 8.5% 的電力消耗來自空調。在全球范圍內，隨著冷卻系統數量的增加、人口的增長和收入的增加，電網可能會不堪重負，從而使更多人能夠負擔得起空調。


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


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

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來源：賢集網
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