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图1 基于金属有机框架-氨工质对的热能转换与储存的优越性
图2 夏季极端高温气候下金属有机框架-氨工质对的吸附制冷性能
在国家自然科学基金项目（资助号：51825602、52236004）等资助下，上海交通大学王丽伟教授团队在氨吸附工质对研究方面取得新进展。研究成果以“金属有机框架-氨工质对用于热能转换与储存（MOF-ammonia working pairs in thermal energy conversion and storage）”为题，于2023年8月16日在线发表在《自然•综述：材料》（Nature Reviews Materials）上，论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41578-023-00593-7。另一项研究成果以“采用金属有机框架实现夏季极端温度下的高适应性制冷（High-adaptability refrigeration under extreme temperatures in summer enabled by metal-organic framework）”为题，于2023年12月7日在线发表在《基础研究》（Fundamental Research）上，论文链接为https://doi.org/10.1016/j.fmre.2023.11.009。
由全球温室效应所导致的极端气候频发，人们对冷热量的需求激增，如何在极端气候下提供大量不依赖于化石燃料的冷热能用于室内的高效制冷与供热是目前产学研界所面临的重要挑战之一。热驱动的吸附式制冷与储热技术无需消耗高品位电能，其中由吸附质与吸附剂组成的工质对是该技术高效应用的核心材料。而氨作为一种具有宽工作温区和绿色环保的自然吸附质受到关注。同时金属有机框架（MOF）由金属节点和有机配体自组装形成的具有周期性晶体结构的多孔聚合物，表现出超高的比表面积、巨大的孔体积、可设计的清晰结构以及极佳的吸附性能，因此在气体吸附分离、催化、靶向医疗、传感、能源等领域得到了广泛应用。研究团队通过大量实验和机理研究发现，MOF-氨工质对因其可调的吸附势、主客体相互作用以及多孔结构的可设计性在极端气候下展示出优异的温度适应性。然而，MOFs在饱和氨气氛中的循环稳定性和吸附能力等方面仍难以满足其在吸附系统中的实际应用要求。研究团队发现了MOF-氨工作对在极端气候下进行高效制冷与储热的优势，并讨论了设计具有高稳定性和高吸附能力的MOFs的合理策略以及未来的发展方向。
为了解决夏季高温气候下的高效制冷难题，研究团队首先通过材料筛选和吸附性能计算并评估了MIL-101(Cr)吸附饱和氨的潜力，然后揭示了该MIL-101(Cr)吸附饱和氨的微观机理并定量计算了MIL-101(Cr)中各类原子对氨分子中N原子的相互作用，阐明了MIL-101(Cr)-氨工质对适应于极端高温气候的高效制冷机制。进一步通过构建吸附制冷循环并测试了该工质对的制冷性能，结果表明，在夏季环境温度达到40oC，该工质对展示出0.387的制冷COP，其环境温度与热源温度适应性均优于传统氨吸附剂，该类吸附剂也可以为氢或氨燃料的灵活管理带来机遇。
上述成果展示了MOF-氨工质对的吸附解吸性能，为新型吸附材料的研发、循环构建以及适应恶劣环境温度的制冷与供热技术发展提供了新思路。