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國際期刊《焦耳》1月30日刊出一項由華中科技大學團隊的新製冷技術研究成果，團隊提出全球首個利用鐵離子氧化還原反應實現的新型製冷技術，令製冷效率提升70%及耗電量僅為傳統空調的5%，研究成果或將會顛覆已沿用超過70年的傳統壓縮機製冷技術。

製冷技術將帶來變重大變革

國際期刊《焦耳》（Joule）1月30日刊出一篇題為《Solvation entropy engineering of thermogalvanic electrolytes for efficient electrochemical refrigeration》論文，該研究由湖北武漢華中科技大學段江江團隊提出，是利用鐵離子氧化還原反應實現新型製冷技術，新技術可提升製冷效率70%，耗電量僅為傳統空調的5%，有望對傳統壓縮機製冷技術帶來變重大變革。

傳統技術存在難以克服缺點

自1950年代起普及的空調、冰箱等製冷設備，都是使用同一種方式製冷，用壓縮機使製冷劑相變（Phase transition），產生潛熱（Latent heat）差異而吸熱或放熱。傳統製冷技術有三大難以克服的缺點，包括﹕

‧能效低下：根據國際製冷學會資料，傳統製冷系統的理論性能係數（COP）上限為5，實際運行中僅為3-4；

‧高能耗：國際能源署2024年報告資料，全球空調年耗電量超2兆度，佔社會總用電量的10%；

‧環境危害：製冷劑中氟利昂類物質可產生比二氧化碳強數千倍的溫室效應，且存在洩漏風險。

三價鐵離子轉為二價時吸熱

華中科大團隊提出的製冷新技術，是運用二價鐵離子/三價鐵離子（Fe²⁺/Fe³⁺）的氧化還原反應實現熱管理。工作原理可簡化為：

‧製冷階段：Fe³⁺吸收電子轉化為Fe²⁺時，從環境中吸收熱量，實現每克材料0.38焦耳的瞬時吸熱量；

‧放熱階段：Fe²⁺釋放電子回歸Fe³⁺時放出熱量。

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特定有機溶劑提高反應效率

初期實驗效果僅能實現0.1℃溫降，遠未達到實用標準。研究團隊發現，水中加入特定的有機溶劑（乙腈），形成乙腈-水混合溶劑，便可以提高鐵離子氧化還原反應效率，當溶劑中乙腈佔比達40%時：

‧鐵離子電導率提升至2.1 S/cm，比純水體系提高8倍；

‧氧化還原反應活化能降低至0.18 eV，效率提升70%；

‧熱傳遞速率達到4.7×10⁻³ W/(m·K)，為傳統製冷劑的3.2倍。

這種「溶劑工程」策略，使得系統在0.11瓦/平方公分的低功耗下，即可驅動14.3的理論COP值——這一數值是傳統空調的4.8倍（以COP 3計），甚至超越特斯拉熱泵系統（COP 4.5）。

團隊已開發出五種原型製冷器

據華中科技大學團隊段江江教授透露，團隊正在開發各種製冷器原型，並尋求與創新企業合作，推動這項技術走向市場。如果該技術實現產業化，製冷將可告別壓縮機，並將帶來多重變革：

‧節能革命：按中國4.5億台空調保有量計算，全面替換後年節電量可達5400億度，相當於三峽電站5年發電總量；

‧體積革新：製冷系統體積可縮小至傳統裝置的1/10，助力微型電子裝置散熱；

‧環保突破：徹底淘汰氟利昂類製冷劑，每年減少1.2億噸二氧化碳當量排放（聯合國環境署預測資料）。

目前研究團隊已開發出五種原型製冷器，覆蓋從晶片級（1cm²）到建築級（10m²）的多場景需求。段江江教授表示，首款商用產品有望在2028年前面世，初期目標市場為資料中心冷卻和電動汽車溫控系統。

延伸閱讀﹕《Solvation entropy engineering of thermogalvanic electrolytes for efficient electrochemical refrigeration》論文全文