金属所等发现首个反常庞压卡材料体系
- 2023/2/21 9:23:29 17020
- 来源：中国科学院金属研究所
近期，金属所与北京高压科学研究中心研究员李阔团队、上海交通大学教授林尚超团队等合作，发现了首个反常庞压卡材料体系——硫氰酸铵（NH4SCN）。相比于正常压卡效应（加压放热、卸压吸热），反常压卡效应表现为加压吸热、卸压放热，颇为罕见。利用反常庞压卡材料可以实现固态制冷，并可构建压力可控储热技术。这一发现将庞压卡材料的应用场景拓展至储热领域。相关研究成果发表在Science Advances（DOI：10.1126/sciadv.add0374）上。
当前的能源利用格局存在尖锐的“热能悖论”。热能生产占全球最终能源消耗的50%以上，并贡献了全球约30%的碳排放量；同时，全球72%的初级能源在转化后又主要以热的形式耗散。如果设法将损失的热能收集、存储，再以热的形式利用，可以提高能源利用率，亦可有效地降低全球碳排放。温度因素的热能调控存在本征热耗散的缺点，且可调可控性较差。因此，非温度外场对热能的调控成为热能利用领域的重要研究课题，受到学术界关注。
本研究利用NH4SCN的反常压卡效应，实现热能的压力可控。如图A所示，压力可控储热包含三个步骤：材料与热源接触，加压吸热，同时为热源降温；保持压力，热量可长期稳定存储，不随环境温度的变化而耗散；卸压时材料对外放热，实现余热再利用。在加热过程中，该化合物在363 K发生单斜-正交结构相变，同时NH4+离子产生取向无序，晶格呈现高达5%的体积负热膨胀，相变熵变达128 J kg-1 K-1。该相比也可由压力驱动，饱和压力约为80MPa，相变点随着压力的增加向低温移动（图B）。为验证压力可控储热的实际性能，研究测试了NH4SCN的热流和温度随压力的变化过程，分别如图C和D所示。卸压过程中放热量为43 J g-1，温度上升12 K。借助有限元分析方法，在理想绝热条件下最大温升为26 K（图D插图）。
运用原位中子衍射谱、同步辐射X射线衍射和非弹性中子散射技术，结合第一性原理计算和分子动力学模拟，研究发现压力对氢键相互作用的抑制是产生反常压卡效应的根源。在NH4SCN中，NH4+与SCN-之间存在大量氢键，且沿SCN-垂直方向的分量较大。施加压力后SCN-的横向振动幅度变大，削弱了氢键相互作用而导致取向无序，促使塑晶相变的发生。这一压力诱导的原子无序极为反常，与绝大多数物质的高压行为相反。
研究工作得到国家重点研发计划、中科院前沿科学重点研究计划从0到1原始创新项目、中科院国际伙伴计划、中科院建制化研究项目、金属所科研仪器设备研制项目、沈阳市青年科技人才支持计划、国家自然科学基金的资助，并获得SPring-8、CSNS、ANSTO和BSRF等大科学装置机时支持。中国散裂中子源童欣团队、何伦华团队与北京同步辐射光源李晓东团队等参与研究。
基于反常压卡效应的压力可控储热过程
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