近日，南京航空航天大学郭万林院士团队的张助华等人通过原子尺度计算与热力学分析相结合的方式，发现了三维石墨烯架构中的室温庞弹卡效应，该研究成果以“Room-Temperature Colossal Elastocaloric Effects in Three-Dimensional Graphene Architectures: An Atomistic Study”为题在线发表在《Advanced Functional Materials》上。
制冷技术在日常生活和工业生产中已不可或缺。基于蒸汽压缩的传统制冷技术因对环境有害，难以小型化等缺点，发展前景受限。虽然目前已经提出了基于环保制冷剂的非蒸汽压缩技术，但由于成本高、效率低，仍然缺乏竞争力。近十年来，固态制冷技术由于环境友好，热响应大等优点被认为是最有希望取代传统气体压缩制冷的选择。固态制冷效应主要包括磁卡效应、电卡效应、弹卡效应和压卡效应。然而，早期发展的基于磁卡和电卡效应的固态制冷材料通常需要很大的磁场或电场才能产生较大的温变，提高了使用成本。鉴于此，由简单外应变驱动产生温度变化的弹卡/压卡效应近期受到了更多的关注。然而，大多数报道的基于相变热效应的弹卡/压卡材料往往只在远离室温的区间内才表现出大的热响应，并且存在着机械疲劳和热滞后问题，导致制冷效率较低。因此，寻找具有低热滞、高耐疲劳性、高制冷效率的固态制冷材料成为当下固态制冷技术发展的主要目标。
该研究团队通过大尺度的分子动力学模拟与热力学分析相结合的方法，系统研究了实验可制备的三维石墨烯架构中的可逆弹卡效应，并且计算了其弹卡强度与制冷效率。他们发现对于典型的三维石墨烯框架结构，在室温附近0.7 GPa的压力下，评估的绝热温度变化可以高达155 K，弹卡强度|ΔT|/|Δσ|为300 K GPa-1，制冷效率COP高达44。与以往报道的大多数固态相变制冷材料不同，该材料的热响应源于弹性变形导致的体积变化，因此几乎没有热滞后。由于碳体系的强共价键作用，三维石墨烯框架表现出了优异的抗疲劳性和高导热性，有利于实际应用。此外，实现大的温变所需的压力可以通过材料的几何设计显著降低，进一步提升了低场驱动弹卡效应的应用潜力。更有趣的是，对该材料施加拉伸应变可提高体系的温度(常规弹卡效应)，而施加压缩应变则会降低体系的温度(逆弹卡效应)，使得常规与逆弹卡效应可在同一体系中实现。这项工作为开发新型无相变固态制冷材料提供了新思路，也揭示了多孔纳米碳材料新的应用。
郭万林院士与张助华教授为该工作的共同通讯作者，博士研究生赵志强为第一作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等的资助。值得一提的是，该团队不久前还发现了纳尺度受限水的室温巨压卡效应，以“Giant mechanocaloric effect of nanoconfined water near room temperature”为题发表在Cell出版社旗下的新晋物质科学类子刊《Cell Reports Physical Science》上(https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100822)。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203866
图1. (a)典型三维石墨烯框架的原子结构示意图; (b) 基于常规弹卡效应和逆弹卡效应的理想制冷循环示意图。
图2. (a) 在室温下, 典型的三维石墨烯框架结构的绝热温度T和相应的应变随时间的变化曲线; (b) 不同应变下，三维石墨烯框架结构的局部原子构型。
图3. (a)不同初始温度下，记录的绝热温变ΔT随施加应变的变化; (b)不同初始温度T0下的最大绝热温变ΔTmax。
图4. (a)不同初始温度下, 记录的绝热温变ΔT随拉伸应力的变化曲线; (b)不同初始温度下, 记录的绝热温变ΔT随压缩应力的变化曲线; (c) 不同的初始温度下, 弹卡强度|ΔT|/|Δσ|随拉伸应力的变化曲线, 对应于常规弹卡效应(d) 不同初始温度下的弹卡强度, 对应于逆弹卡效应。
图5. 在室温下，不同几何尺寸石墨烯框架结构的绝热温变ΔT随拉伸应力(a)和压缩应力(b)的变化曲线; (c)不同几何尺寸石墨烯框架结构的弹卡强度|ΔT|/|Δσ|随拉伸应力的变化，对应常规弹卡效应; (d)不同几何尺寸石墨烯框架结构的弹卡强度，对应逆弹卡效应。
图6. 代表性三维石墨烯框架结构([5, 10]和[5, 12])与先前报道的弹卡和压卡材料在绝热温变|ΔT|，等温熵变|ΔS|和弹卡强度|ΔT|/|Δσ|方面的比较。
本文来自材料牛，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
