Làm lạnh không thay đổi trong 70 năm – Đột phá này đang thay đổi mọi thứ
Ngày 1 tháng 2 năm 2025
Một đột phá trong công nghệ làm lạnh nhiệt điện có thể giúp làm lạnh rẻ hơn và xanh hơn bằng cách tối ưu hóa các phản ứng điện hóa, tăng hiệu quả và mở rộng ứng dụng thực tế của nó. (Tủ lạnh nhiệt điện nguyên mẫu.) Tín dụng: Yilin Zeng
Các nhà khoa học đã cải tiến công nghệ làm lạnh nhiệt điện, một phương pháp làm lạnh tận dụng các phản ứng điện hóa.
Bằng cách tinh chế thành phần chất điện phân, họ đã cải thiện hiệu quả đáng kể, biến nó thành một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, tiết kiệm năng lượng cho các ứng dụng làm lạnh, từ công nghệ đeo được đến hệ thống công nghiệp.
Một đột phá trong công nghệ làm lạnh
Các nhà khoa học đã giới thiệu một công nghệ làm lạnh mới đầy hứa hẹn có thể hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn so với công nghệ làm lạnh truyền thống. Được công bố vào ngày 30 tháng 1 trên tạp chí Cell Press Joule, nghiên cứu này khám phá công nghệ làm lạnh nhiệt điện, khai thác các phản ứng điện hóa thuận nghịch để tạo ra hiệu ứng làm mát. Phương pháp này đòi hỏi ít năng lượng hơn đáng kể so với các hệ thống làm mát thông thường, giúp tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng quy mô cho các ứng dụng từ thiết bị làm mát cá nhân đến sử dụng trong công nghiệp quy mô lớn.
"Công nghệ nhiệt điện đang trên đường đến với cuộc sống của chúng ta, dưới dạng điện sạch hoặc làm mát công suất thấp, và cả cộng đồng nghiên cứu và thương mại đều nên chú ý", tác giả chính Jiangjiang Duan của Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung ở Vũ Hán, Trung Quốc cho biết.
Khoa học đằng sau phương pháp làm mát nhiệt điện
Các tế bào nhiệt điện thường chuyển nhiệt thành điện năng thông qua các phản ứng điện hóa thuận nghịch. Bằng cách đảo ngược quá trình này—áp dụng dòng điện bên ngoài để thúc đẩy các phản ứng này—các nhà khoa học có thể tạo ra khả năng làm mát. Trong khi các nghiên cứu trước đây cho thấy tiềm năng làm mát hạn chế, nhóm của Duan đã cải thiện đáng kể hiệu suất bằng cách tinh chỉnh thành phần hóa học của hệ thống, mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng thực tế.
"Trong khi các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào thiết kế hệ thống ban đầu và mô phỏng số, chúng tôi báo cáo một chiến lược thiết kế hợp lý và phổ quát của chất điện phân nhiệt điện, cho phép đạt hiệu suất làm mát cao kỷ lục có khả năng ứng dụng thực tế", Duan cho biết.
Cách các ion sắt cung cấp năng lượng cho hiệu ứng làm mát
Các ô nhiệt động làm mát dựa trên các phản ứng oxy hóa khử điện hóa liên quan đến các ion sắt hòa tan. Trong một pha của phản ứng, các ion sắt mất một electron và hấp thụ nhiệt (Fe3+ → Fe2+), và trong pha khác, chúng thu được một electron và giải phóng nhiệt (Fe2+ → Fe3+). Năng lượng tạo ra bởi phản ứng đầu tiên làm mát dung dịch điện phân xung quanh và nhiệt tạo ra bởi phản ứng đầu tiên được tản nhiệt.
Bằng cách điều chỉnh các chất tan và dung môi được sử dụng trong dung dịch điện phân, các nhà nghiên cứu đã có thể cải thiện khả năng làm mát của ô thủy điện. Họ đã sử dụng muối sắt ngậm nước có chứa perchlorate, giúp các ion sắt hòa tan và phân ly tự do hơn so với các loại muối chứa sắt khác đã được thử nghiệm trước đó như ferricyanide. Bằng cách hòa tan các muối sắt trong dung môi có chứa nitrile thay vì nước tinh khiết, các nhà nghiên cứu đã có thể cải thiện khả năng làm mát của ô thủy điện lên 70%.
Một bước tiến lớn về hiệu suất
Hệ thống được tối ưu hóa có thể làm mát chất điện phân xung quanh ở mức 1,42 K, đây là một cải tiến lớn so với khả năng làm mát 0,1 K được báo cáo bởi các hệ thống nhiệt điện đã công bố trước đó.
Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục tối ưu hóa thiết kế hệ thống của họ và cũng đang nghiên cứu các ứng dụng thương mại tiềm năng.
"Mặc dù chất điện phân tiên tiến của chúng tôi có khả năng thương mại hóa, nhưng cần phải nỗ lực hơn nữa trong thiết kế cấp hệ thống, khả năng mở rộng và tính ổn định để thúc đẩy ứng dụng thực tế của công nghệ này", Duan cho biết. "Trong tương lai, chúng tôi đặt mục tiêu liên tục cải thiện hiệu suất làm mát nhiệt điện bằng cách khám phá các cơ chế mới và vật liệu tiên tiến. Chúng tôi cũng đang cố gắng phát triển các nguyên mẫu tủ lạnh đa dạng hướng tới các kịch bản ứng dụng tiềm năng và đang tìm cách hợp tác với các công ty đổi mới để thúc đẩy thương mại hóa các công nghệ nhiệt điện".
Tài liệu tham khảo: “Kỹ thuật entropy dung môi của chất điện phân nhiệt điện để làm lạnh điện hóa hiệu quả” của Yilin Zeng, Boyang Yu, Ming Chen, Jinkai Zhang, Pei Liu, Jinhua Guo, Jun Wang, Guang Feng, Jun Zhou và Jiangjiang Duan, ngày 30 tháng 1 năm 2025, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2025.101822
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc và Chương trình sau tiến sĩ quốc gia Trung Quốc dành cho tài năng sáng tạo.
