2025年1月8日，我校能源與機(jī)械工程學(xué)院吳韶飛博士、潘衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)，與上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所王麗偉教授團(tuán)隊(duì)在Cell姊妹刊Matter上發(fā)表論文，題目為“Emerging working pairs of MOF-ammonia for sustainable heat transformation and storage”。該論文明晰MOF吸附飽和氨的微觀(guān)機(jī)理，通過(guò)計(jì)算篩選高穩(wěn)定性氨吸附劑，構(gòu)建基于新型MOF-氨工質(zhì)對(duì)的吸附循環(huán)，顯著提高極端氣候下的熱能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存性能。吳韶飛博士為本文第一作者和通訊作者，潘衛(wèi)國(guó)教授和王麗偉教授為共同通訊作者。

吸附式熱能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存是高效利用太陽(yáng)能和工業(yè)余熱等低品位熱能的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)吸附劑與吸附質(zhì)的吸附和解吸過(guò)程可實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)供暖、制冷、太陽(yáng)能收集和燃料儲(chǔ)存等應(yīng)用。該領(lǐng)域研究涉及工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、配位化學(xué)、聚合物功能材料、機(jī)械工程等學(xué)科，具有顯著學(xué)科交叉特色。金屬有機(jī)框架（MOFs）吸附劑因其具有高比表面積和孔體積以及清晰結(jié)構(gòu)，而氨工質(zhì)具有寬溫區(qū)和高焓值等特點(diǎn)。在“雙碳”和極端氣候頻發(fā)背景下，基于MOF-氨工質(zhì)對(duì)的固體吸附系統(tǒng)具有高儲(chǔ)能密度和溫度適應(yīng)性、低熱損失等優(yōu)勢(shì)，如何構(gòu)筑高性能吸氨的MOF吸附劑和新型吸附循環(huán)是破解極端氣候下可持續(xù)熱能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存應(yīng)用難題的關(guān)鍵。

本文從MOF吸附低濃度氨氣的最近研究進(jìn)展出發(fā)，揭示了MOF吸附氨氣的微觀(guān)機(jī)理，利用實(shí)驗(yàn)和模擬明晰了金屬團(tuán)簇、有機(jī)配體和孔隙填充對(duì)氨吸附性能的影響。進(jìn)一步對(duì)比了金屬鹵化物-氨工質(zhì)對(duì)和MOF-水工質(zhì)對(duì)的優(yōu)缺點(diǎn)，據(jù)此推測(cè)了MOF-氨工質(zhì)對(duì)用于極端氣候下熱能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的可行性。

根據(jù)MOF吸氨的微觀(guān)機(jī)理和低濃度氨氣中的MOF吸附穩(wěn)定性規(guī)律，探明了MOF材料在飽和氨中的循環(huán)穩(wěn)定性特征，通過(guò)拓寬現(xiàn)有低濃度氨氣的壓力范圍，構(gòu)建吸附循環(huán)來(lái)評(píng)估MOF-氨工質(zhì)對(duì)的吸附性能，并在飽和氨工況下驗(yàn)證了MOF的循環(huán)穩(wěn)定性和氨吸附性能，為后續(xù)熱能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存性能的可行性分析提供指南。

通過(guò)穩(wěn)定性和吸附性能的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，綜合優(yōu)選五種MOFs-氨工質(zhì)對(duì)并結(jié)合吸附循環(huán)分別評(píng)價(jià)了熱泵、制冷、制冰、長(zhǎng)/短周期儲(chǔ)熱等場(chǎng)景下的性能，揭示了熱能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存性能與解吸溫度、蒸發(fā)溫度和吸附溫度的內(nèi)在關(guān)系。最終對(duì)比了MOF-氨工質(zhì)對(duì)與傳統(tǒng)吸附劑-氨工質(zhì)對(duì)以及MOF-水工質(zhì)對(duì)的供儲(chǔ)熱性能，發(fā)現(xiàn)MOF-氨工質(zhì)對(duì)在低溫環(huán)境的供熱場(chǎng)景下具有顯著性能優(yōu)勢(shì)，為極端氣候下的實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。

該論文獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市教委IV類(lèi)高峰學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目、能源清潔高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目等資助，同時(shí)也得到了機(jī)械工業(yè)清潔發(fā)電環(huán)保技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心以及上海市高水平地方高?！案咝У吞及l(fā)電與清潔能源利用”重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等支持。

基于該論文的探索性研究成果《新型MOF-氨工質(zhì)對(duì)的多效儲(chǔ)存適應(yīng)性研究》在2024年中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議上被評(píng)為大會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。該工作研究了ZIF-8(Zn)復(fù)合吸附劑-氨工質(zhì)對(duì)的儲(chǔ)熱、制冷與儲(chǔ)氨性能，在高溫環(huán)境制冷和低溫環(huán)境供熱工況下展示出優(yōu)異的溫度適應(yīng)性。

吳韶飛博士長(zhǎng)期從事新型儲(chǔ)能與碳捕集材料及系統(tǒng)研究，參與了多種多孔功能材料設(shè)計(jì)與儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)，研制了高性能多模式靈活儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前，他以獨(dú)立第一作者在Nature Reviews Materials、Matter、Energy Storage Materials（2）、中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表多篇論文，主持上海市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和上海電氣電站集團(tuán)公司下屬企業(yè)委托項(xiàng)目，參與國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目、上海市科委自由探索項(xiàng)目等多項(xiàng)重要科研項(xiàng)目。

論文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1kPEh9Cyxd6rni

能源與機(jī)械工程學(xué)院 供稿