一杯“盐水”，发了一篇Science!

液态制冷“黑科技”，让盐水也能制冷！

在工业生产、数据中心、空调设备乃至冰箱里，制冷系统都是维持温度控制的关键。然而，当前主流的“蒸汽压缩循环”制冷技术不仅能效有限（性能系数COP仅2.5~4.5），而且依赖于高全球变暖潜能值的氟利昂类制冷剂，对环境带来巨大负担。寻找一种兼具高能效、低环境影响的新型制冷方式，已经成为全球能源科学的焦点难题。

今日，麻省理工学院（MIT）Seonggon Kim联合韩国高丽大学Yong Tae Kang教授提出了一种基于硝酸盐溶液的液态偶极热卡制冷循环（Liquid-state dipolarcaloric refrigeration cycle），首次利用“盐溶解吸热”的物理原理，实现了高效且环保的液体制冷系统。该技术在性能系数、温度跨度和环境友好性等方面全面超越了传统固态热卡系统，开辟了液态制冷的新方向。这一创新的“偶极热卡液态循环（Dipolarcaloric cycle）”通过硝酸盐溶液在溶解与结晶过程中产生的偶极能量变化，实现了制冷所需的吸热与放热过程。简单来说，就是用盐水来制冷：当硝酸铵或硝酸钾溶解于水中时，会吸收大量热量，使体系温度迅速下降；随后，通过电渗析（electrodialysis）技术分离离子，使盐重新结晶并释放热量，从而完成整个循环。与传统压缩制冷不同，这一过程无需制冷剂蒸发、无需压缩机，也不涉及高压气体，真正实现了无污染、可持续的绿色制冷循环。相关成果以“Liquid-state dipolarcaloric refrigeration cycle with nitrate-based salts”为题发表在《Science》上。

液态偶极热卡循环的工作原理

如图1a所示，系统包括绝热混合器、冷端换热器、离子分离器和热端换热器四个模块。在冷端，未饱和溶液与过饱和溶液混合，发生吸热溶解反应，温度迅速下降；在热端，经电渗析分离出的高浓度盐溶液则释放热量并重新结晶，实现循环再生。这一循环的热力学特征（图1b, 1c）与传统卡诺循环类似，但不再依赖气体压缩，而是以离子活度和溶解焓变化为驱动力，因此被称为“偶极热卡效应”。

图1：偶极热卡循环系统结构与热力学路径示意

最佳“盐水组合”，制冷性能超越氟利昂

研究团队筛选了多种水溶性盐类，发现硝酸铵（NH₄NO₃）与硝酸钾（KNO₃）表现最优：硝酸铵具有高溶解度与强吸热特性，适用于低温制冷场景；硝酸钾则具有较高溶解焓和稳定性，更适合室温空调应用。实验测得，硝酸钾体系的绝热温降达18.6°C，而硝酸铵体系高达37.3°C（图2a）。其等温熵变（351–531 J kg⁻¹ K⁻¹）甚至超过传统压缩制冷剂，说明单位质量吸热能力极强（图2c）。进一步计算表明，系统的理论COP（性能系数）可达15–35，相对卡诺效率高达0.9，是传统蒸汽压缩机系统的5倍以上（图2b）。换句话说，这是一种“比空调更省电”的液体制冷技术。

图2：硝酸盐溶液的温降、焓变与熵变特征

电渗析再生——用电流“重组”盐水

整个循环的关键在于如何高效地再生溶液。研究团队采用成熟的电渗析（electrodialysis）技术，通过阳离子和阴离子交换膜在低压下分离盐离子，实现溶液浓度重构（图3a）。测试表明，在单堆装置中，电流效率可稳定维持在70–85%（图3b,c），且几分钟内即可将稀溶液分离为几乎纯水和高浓度盐液。更重要的是，即使在15层电渗析模块中运行，系统仍可保持良好的稳定性和可扩展性（图3d），无气体析出、无电解副反应。这一液态架构让热交换与离子传输更加均匀，避免了固体体系的机械疲劳与导热瓶颈，展现出优异的循环可持续性。

图3：电渗析装置结构及离子分离效率结果

性能测试——“盐水空调”的惊艳表现

实验结果显示，在空调条件（冷端20°C，热端25–30°C）下，硝酸钾循环COP为9.37（ΔT = 5°C）到4.32（ΔT = 10°C）；硝酸铵循环COP为3.07（ΔT = 5°C）到1.65（ΔT = 20.7°C）。在十五对膜堆系统中，单位体积制冷功率高达1965 W/L（图4c），远超传统固态热卡器件的数十W/L。此外，液态体系的传热系数达到3000–10000 W m⁻² K⁻¹，大幅提升冷量传递效率，意味着更紧凑、更节能的设备设计成为可能。

图4：不同溶液体系的COP与制冷功率性能测试

全面对比——液态偶极热卡完胜其他制冷路线

在与现有各类热卡技术的综合对比中（图5）：偶极热卡循环（DCE）的COP高达9.37，远超离子热卡（3.23）和电热卡（5.8）；其运行温区宽（5–30°C）、冷功率密度高（最高1965 W/L），并具备优异传热性能；采用的材料——硝酸盐与水——廉价、可再生、环境无害。这意味着，未来的制冷设备可以抛弃氟利昂，转向安全、流动性强、可持续的液体工作介质。研究团队指出，液态偶极热卡系统可应用于家用空调、低温冷链、电子设备散热等多个场景，为全球“零碳制冷”提供了一条切实可行的新路径。

图5：偶极热卡系统与其他热卡技术的性能对比

从盐溶液到绿色制冷的未来

本研究首次将“盐水吸热”过程转化为高效的热卡循环，实现了液体体系的高性能制冷。通过理论建模与实验验证，团队不仅证实了硝酸铵-水体系在低温制冷中的潜力，也展示了硝酸钾-水体系在室温空调中的可行性。更重要的是，这一系统摒弃了高压气体与稀有金属，充分利用水和常见盐类，为实现环保、低成本、可规模化的制冷技术提供了新思路。未来，随着多堆电渗析模块优化与溶液体系拓展，液态偶极热卡技术有望走出实验室，成为“无氟制冷”革命的核心力量。