2025年1月8日，我校能源與機械工程學院吳韶飛博士、潘衛(wèi)國教授團隊，與上海交通大學機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所王麗偉教授團隊在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吸附飽和氨的微觀機理，通過計算篩選高穩(wěn)定性氨吸附劑，構(gòu)建基于新型MOF-氨工質(zhì)對的吸附循環(huán)，顯著提高極端氣候下的熱能轉(zhuǎn)換與儲存性能。吳韶飛博士為本文第一作者和通訊作者，潘衛(wèi)國教授和王麗偉教授為共同通訊作者。
吸附式熱能轉(zhuǎn)換和儲存是高效利用太陽能和工業(yè)余熱等低品位熱能的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過吸附劑與吸附質(zhì)的吸附和解吸過程可實現(xiàn)熱驅(qū)動的可持續(xù)供暖、制冷、太陽能收集和燃料儲存等應用。該領(lǐng)域研究涉及工程熱力學、傳熱學、配位化學、聚合物功能材料、機械工程等學科，具有顯著學科交叉特色。金屬有機框架（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。在“雙碳”和極端氣候頻發(fā)背景下，基于MOF-氨工質(zhì)對的固體吸附系統(tǒng)具有高儲能密度和溫度適應性、低熱損失等優(yōu)勢，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)換與儲存應用難題的關(guān)鍵。
本文從MOF吸附低濃度氨氣的最近研究進展出發(fā)，揭示了MOF吸附氨氣的微觀機理，利用實驗和模擬明晰了金屬團簇、有機配體和孔隙填充對氨吸附性能的影響。進一步對比了金屬鹵化物-氨工質(zhì)對和MOF-水工質(zhì)對的優(yōu)缺點，據(jù)此推測了MOF-氨工質(zhì)對用于極端氣候下熱能轉(zhuǎn)換與儲存的可行性。
根據(jù)MOF吸氨的微觀機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，通過拓寬現(xiàn)有低濃度氨氣的壓力范圍，構(gòu)建吸附循環(huán)來評估MOF-氨工質(zhì)對的吸附性能，并在飽和氨工況下驗證了MOF的循環(huán)穩(wěn)定性和氨吸附性能，為后續(xù)熱能轉(zhuǎn)換與儲存性能的可行性分析提供指南。
通過穩(wěn)定性和吸附性能的實驗和計算結(jié)果，綜合優(yōu)選五種MOFs-氨工質(zhì)對并結(jié)合吸附循環(huán)分別評價了熱泵、制冷、制冰、長/短周期儲熱等場景下的性能，揭示了熱能轉(zhuǎn)換與儲存性能與解吸溫度、蒸發(fā)溫度和吸附溫度的內(nèi)在關(guān)系。最終對比了MOF-氨工質(zhì)對與傳統(tǒng)吸附劑-氨工質(zhì)對以及MOF-水工質(zhì)對的供儲熱性能，發(fā)現(xiàn)MOF-氨工質(zhì)對在低溫環(huán)境的供熱場景下具有顯著性能優(yōu)勢，為極端氣候下的實際應用提供了新思路。
該論文獲得國家自然科學基金重點項目、上海市教委IV類高峰學科建設項目、能源清潔高效利用國家重點實驗室開放基金項目等資助，同時也得到了機械工業(yè)清潔發(fā)電環(huán)保技術(shù)重點實驗室、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校“高效低碳發(fā)電與清潔能源利用”重點創(chuàng)新團隊等支持。
基于該論文的探索性研究成果《新型MOF-氨工質(zhì)對的多效儲存適應性研究》在2024年中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用學術(shù)會議上被評為大會優(yōu)秀論文獎。該工作研究了ZIF-8(Zn)復合吸附劑-氨工質(zhì)對的儲熱、制冷與儲氨性能，在高溫環(huán)境制冷和低溫環(huán)境供熱工況下展示出優(yōu)異的溫度適應性。
吳韶飛博士長期從事新型儲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計與儲能系統(tǒng)研發(fā)，研制了高性能多模式靈活儲能系統(tǒng)。目前，他以獨立第一作者在Nature Reviews Materials、Matter、Energy Storage Materials（2）、中國科學：技術(shù)科學等學術(shù)刊物發(fā)表多篇論文，主持上海市自然科學基金面上項目和上海電氣電站集團公司下屬企業(yè)委托項目，參與國家自然科學基金杰出青年項目和重點項目、國家重點實驗室開放基金項目、上海市科委自由探索項目等多項重要科研項目。
論文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1kPEh9Cyxd6rni
能源與機械工程學院 供稿