鐵離子氧化還原代替壓縮機?中國首創高效節能製冷新技術

2025-02-07 10:27:42
諾文

香港輕新聞編輯

 

2502071網絡圖片

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。

2502072論文擷圖

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

 

發佈於 科學新知
By 2025-02-07

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