新研究有望助力新的储能方法和更高纯度的材料的开发

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发布时间：2021-07-02
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【概要描述】如果您将一瓶水放入冰箱，您会在几个小时后取出一个坚固的冰柱。但是，如果水的杂质很少且不受干扰，则它可能不会冻结，而是保持为过冷液体。小心，因为这种状态非常不稳定，如果摇晃或添加杂质，水会迅速结晶。正如许多 YouTube 视频所证明的那样。过冷是水溶液保持液态而不凝固的现象，即使其温度低于冰点。尽管已经对引发过冷液体冻结的添加剂进行了许多研究，但其机制的细节尚不清楚。一种潜在的应用可能是潜热储存材料，它依靠冷冻和熔化来捕获并随后释放热量。

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新研究有望助力新的储能方法和更高纯度的材料的开发

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大阪大学、松下公司和早稻田大学的科学家使用扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线吸收光谱来确定哪些添加剂会导致过冷水溶液中的结晶。这项工作可能会助力基于潜热的新型储能材料的开发。

如果您将一瓶水放入冰箱，您会在几个小时后取出一个坚固的冰柱。但是，如果水的杂质很少且不受干扰，则它可能不会冻结，而是保持为过冷液体。小心，因为这种状态非常不稳定，如果摇晃或添加杂质，水会迅速结晶。正如许多 YouTube 视频所证明的那样。过冷是水溶液保持液态而不凝固的现象，即使其温度低于冰点。尽管已经对引发过冷液体冻结的添加剂进行了许多研究，但其机制的细节尚不清楚。一种潜在的应用可能是潜热储存材料，它依靠冷冻和熔化来捕获并随后释放热量。

a) 由3-甲基戊酸四正丁基铵 (TBA-3MP) 水溶液的样品 #1、#2、#11 和 #13 制备的复制膜的 HAADF-STEM 图像。在样品#11 和#13 中，观察到5-10 nm 的银纳米颗粒。在包含银纳米粒子和 F -阴离子的样品 #13 中，即使在 281 K 下也存在 10-30 nm 的簇。随着温度的进一步降低，簇的数量密度增加，然后 TBA-3MP 半笼形水合物结晶出过冷度小。b) 与面板 a) 中“13-a”相同的薄膜不同区域的 SE-STEM 图像。大小为 10-30 nm 的簇包裹着一个银纳米粒子（红色箭头指示的黑点）。

现在，由大阪大学领导的一组研究人员表明，银纳米粒子在诱导包合物水合物结晶方面非常有效。包合物水合物物理上看起来像冰，由氢键水笼组成，内部有客体分子。

使用 SEM 和冷冻断裂复制方法，我们捕捉到了新生簇在潜热储存材料的水溶液中包裹银纳米颗粒的那一刻，通讯作者 Takeshi Sugahara 教授解释说，这是因为纳米颗粒充当“种子”或成核位点，用于形成微小的簇。一旦开始，剩余的溶质和水分子会迅速形成额外的簇，然后簇致密化导致结晶。

研究人员发现，虽然银纳米粒子倾向于加速这些簇的形成，但其他金属纳米粒子，如钯、金和铱，不会促进结晶。本研究中获得的过冷抑制效果将有助于实现笼形水合物作为潜热储存材料的实际应用，菅原教授说。如本研究所述，用于增强过冷控制的材料设计指南可能会导致潜热储存材料在太阳能和热回收技术中的应用，以提高效率。

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