作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2023/2/4 14:08:52
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李昺:新材料既能制冷又能储热

 

从美国到日本再到回国、从磁卡制冷到压卡制冷、从零碳制冷到可控储热……这些年来,中国科学院金属研究所(以下简称金属所)“80后”研究员李昺一直在寻找节能环保的制冷和储热材料。

日前,第十七届中国青年科技奖揭晓,李昺成为100名获奖者之一。据了解,中国青年科技奖旨在表彰在国家经济发展、社会进步和科技创新中作出突出贡献的青年科技人才,年龄要求不超过40岁,评选周期为2年。

李昺在接受《中国科学报》采访时表示,“能够获奖很不容易,我们瞄准‘碳达峰、碳中和’这个方向做出了有意义的工作,将制冷与储热材料完美结合。”

李昺 受访者供图


无心插柳柳成荫

2012年,李昺在金属所获博士学位,那时候他的研究方向是磁卡制冷,即利用磁性材料的磁热效应来实现制冷。磁热效应是指外加磁场发生变化时,磁性材料的磁矩有序排列发生变化,导致材料自身发生吸热和放热的现象。

博士毕业后,李昺赴美国弗吉尼亚大学物理系从事博士后研究工作。“我的导师是当时美国中子散射协会主席,在她的指导下我接触到美国橡树岭国家实验室的散裂中子源,开始尝试运用高压中子散射、同步辐射X射线散射等手段研究晶体材料,这个方向非常前沿。”

“从磁卡制冷到压卡制冷研究方向的转变并不是刻意为之,可谓是无心插柳柳成荫。”国外的学习和工作让李昺对此前从事的无序晶体材料研究打开新思路。

2015年至2018年初,李昺来到日本散裂中子源(J-PARC)中子谱学组工作,主要利用先进的非弹性中子散射谱仪来研究具有结构无序的功能材料。

2018年回国加入金属所后,李昺组建了沈阳材料科学国家研究中心中子散射研究组,从事原子、分子及磁性无序材料的中子散射研究,并有了意外的发现。

李昺告诉《中国科学报》:“我们找到了全新的材料,不仅可以实现零碳制冷,消除制冷领域的环境危害,还可以实现余热的收集和再利用,达到降低碳排放、提高能源利用率的目的。”

到底是什么材料,既能实现制冷又能实现储热呢?

压卡制冷见曙光

联合国发布的统计数据显示,全球每年25%~30%的电力被用于各种各样的制冷应用。在当今社会生产和生活的多个领域,制冷技术均起到了至关重要的作用。

李昺指出,当前我国高端制冷压缩机技术仍然欠缺,探索新的制冷技术方案则有望从根源上解决该技术领域的“卡脖子”问题。

近年来,寻求绿色、环保、低能耗的替代制冷方案,已经成为学术界和工业界共同努力的方向。

研究发现,固体材料相变(相变是指固、液、气不同相之间的相互转变)过程伴随巨大的吸热或放热效应,基于固态相变热效应的制冷技术被认为是最有希望取代传统气体压缩制冷的技术方案。

但是,这类固体材料的性能与液态制冷剂相比存在巨大差距,成为限制该技术走向应用的瓶颈之一。

中子散射研究给李昺打开新思路,他开始尝试寻找新的固体材料,以打破现有的瓶颈。李昺带领团队围绕如何提高固态相变制冷材料的性能展开深入研究,最终发现一种塑晶材料。

“我们通过中子散射技术观察发现,塑晶材料的分子在不停随机转动,处于高能量状态。”李昺介绍,由于这些材料特别软,施加一个很小的压力,这些转动就会被抑制,材料变成低能量状态,从而释放出大量的热量。”

李昺将这种通过较小压力诱导出的显著相变制冷效应命名为庞压卡效应。上述塑晶材料展现的正是庞压卡效应,即压力引起相变的冷却效应,相关研究成果2019年发表于Nature

利用塑晶材料作为介质,李昺带领团队研制了首个压卡制冷样机。“塑晶材料所需驱动压力小、成本低廉,因此可以作为新型制冷材料。”李昺说,“我们的研究为下一代固态制冷技术的发展提供了新思路,有望大幅度提高制冷效率。”

凭借这一成果李昺获得了日本中子学会授予的2019年学会奖励,这也是日本中子学会第一次将该奖励授予日本以外的科学家。

变换角度和维度

这些年来,在研究制冷技术的同时,李昺也在思考如何才能高效回收利用产生的热能。

国际能源署的统计数据显示,初级能源有约31%用来生产热能,其他能源利用过程又有28%的初级能源以热能的形式被浪费。与此相对的是,热能的生产则直接贡献了30%的碳排放。

“虽然热能如此丰富,但人类对热能的利用还十分有限。主要原因是热能收集效率低、无法长距离运输、温度和时间等无法有效调控。”李昺解释道,如果将浪费的热能加以回收并利用,不但可以减少能源消耗,还可以降低碳排放。

李昺再次想到了塑晶材料,并通过实验发现塑晶材料中有一类材料在80摄氏度左右开始存储热量变成塑晶态,回到室温保存后,施加约6MPa的微小压力(相当于人的手捏物体的力)就可以诱发塑晶态向常规晶体状态转变,瞬间释放出所储存的大量热量,20秒内温度可以升高近50摄氏度。

李昺将塑晶材料的这一特性概括为,加热吸收热量、冷却锁定热量、加压释放热量。

在上述研究的基础上,李昺团队设计了压卡热电池。他透露,压卡热电池可以实现低品位余热的回收、长时存储、长距运输和可控再利用,总能效为92%。这项成果即将发表于Science Advances

虽然然冷热是一对矛盾体,但李昺的研究不仅打破了冷热对立的束缚,还拓展了新的研究思路,他认为关键在于变换角度和维度。

近3年来,因为研究实验需要,李昺都是把样品寄给合作者,利用国外的谱仪完成相关实验。在采访最后,李昺也希望中国散裂中子源二期工程早日建成,这样就不用再出国做实验了。

 
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