1月8日，上海电力大学能源与机械工程学院吴韶飞博士、潘卫国教授团队，与上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王丽伟教授团队在Cell姊妹刊Matter上发表论文，题目为“Emerging working pairs of MOF-ammonia for sustainable heat transformation and storage”。该论文明晰MOF吸附饱和氨的微观机理，通过计算筛选高稳定性氨吸附剂，构建基于新型MOF-氨工质对的吸附循环，显著提高极端气候下的热能转换与储存性能。吴韶飞博士为本文第一作者和通讯作者，潘卫国教授和王丽伟教授为共同通讯作者。这是我国科研单位首次在Matter发表MOF-氨工质对为主题的论文，也是学校教师首次以第一作者、第一完成单位在CNS大子刊上发表论文。
吸附式热能转换和储存是高效利用太阳能和工业余热等低品位热能的关键技术之一，通过吸附剂与吸附质的吸附和解吸过程可实现热驱动的可持续供暖、制冷、太阳能收集和燃料储存等应用。该领域研究涉及工程热力学、传热学、配位化学、聚合物功能材料、机械工程等学科，具有显著学科交叉特色。金属有机框架（MOFs）吸附剂因其具有高比表面积和孔体积以及清晰结构，而氨工质具有宽温区和高焓值等特点。在“双碳”和极端气候频发背景下，基于MOF-氨工质对的固体吸附系统具有高储能密度和温度适应性、低热损失等优势，如何构筑高性能吸氨的MOF吸附剂和新型吸附循环是破解极端气候下可持续热能转换与储存应用难题的关键。
本文从MOF吸附低浓度氨气的最近研究进展出发，揭示了MOF吸附氨气的微观机理，利用实验和模拟明晰了金属团簇、有机配体和孔隙填充对氨吸附性能的影响。进一步对比了金属卤化物-氨工质对和MOF-水工质对的优缺点，据此推测了MOF-氨工质对用于极端气候下热能转换与储存的可行性。
根据MOF吸氨的微观机理和低浓度氨气中的MOF吸附稳定性规律，探明了MOF材料在饱和氨中的循环稳定性特征，通过拓宽现有低浓度氨气的压力范围，构建吸附循环来评估MOF-氨工质对的吸附性能，并在饱和氨工况下验证了MOF的循环稳定性和氨吸附性能，为后续热能转换与储存性能的可行性分析提供指南。
通过稳定性和吸附性能的实验和计算结果，综合优选五种MOFs-氨工质对并结合吸附循环分别评价了热泵、制冷、制冰、长/短周期储热等场景下的性能，揭示了热能转换与储存性能与解吸温度、蒸发温度和吸附温度的内在关系。最终对比了MOF-氨工质对与传统吸附剂-氨工质对以及MOF-水工质对的供储热性能，发现MOF-氨工质对在低温环境的供热场景下具有显著性能优势，为极端气候下的实际应用提供了新思路。
该论文获得国家自然科学基金重点项目、上海市教委IV类高峰学科建设项目、能源清洁高效利用国家重点实验室开放基金项目等资助，同时也得到了机械工业清洁发电环保技术重点实验室、上海发电环保工程技术研究中心以及上海市高水平地方高校“高效低碳发电与清洁能源利用”重点创新团队等支持。
基于该论文的探索性研究成果《新型MOF-氨工质对的多效储存适应性研究》在2024年中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议上被评为大会优秀论文奖。该工作研究了ZIF-8(Zn)复合吸附剂-氨工质对的储热、制冷与储氨性能，在高温环境制冷和低温环境供热工况下展示出优异的温度适应性。
吴韶飞博士长期从事新型储能与碳捕集材料及系统研究，参与了多种多孔功能材料设计与储能系统研发，研制了高性能多模式灵活储能系统。目前，他以独立第一作者在Nature Reviews Materials、Matter、Energy Storage Materials（2）、中国科学：技术科学等学术刊物发表多篇论文，主持上海市自然科学基金面上项目和上海电气电站集团公司下属企业委托项目，参与国家自然科学基金杰出青年项目和重点项目、国家重点实验室开放基金项目、上海市科委自由探索项目等多项重要科研项目。（通讯员：樊丽达）
2025-01-23 09:30
