领跑世界！制冷技术创新成果重磅发表于《Nature》

　　制冷新范式：清华/金属所/西交大《nature》报道基于溶解压卡效应的极限制冷技术

　　传统蒸气压缩制冷依赖高全球变暖潜势的氟碳制冷剂，带来严峻环境挑战。固态卡路里制冷虽环保，却受限于低制冷量和间接传热。本研究首次提出并实现了基于压力调控溶解-沉淀的极端压卡制冷新机制，在硫氰酸铵水溶液中实现了26.8 K的极大温降和77%的第二定律效率，为下一代可持续制冷提供了全新的非相变路径。

　　传统制冷的两难困境：蒸气压缩系统使用高GWP制冷剂，违反《基加利修正案》淘汰要求；固态卡路里材料虽熵变可观，但需要二次传热流体，系统复杂且效率受限。

　　是否存在一种技术，能同时具备大制冷量、低碳排放和高效传热？

　　论文速览

　　标题：Extreme barocaloric effect at dissolution

　　译题：基于溶解的极端压卡效应

　　作者：Kun Zhang,Yifang Liu,Ying Gao et al.

　　机构：清华大学，中国科学院金属研究所，西安交通大学等

　　期刊：Nature（IF≈69.5）

　　状态：Published online 21 January 2026

　　DOI：10.1038/s41586-025-10013-1

　　一句话总结

　　“跳出传统相变框架，利用压力调控NH₄SCN水溶液的溶解/沉淀过程，实现了26.8 K的极大原位温降，并通过类卡诺循环设计，以溶液自身循环实现直接传热，将制冷性能与效率同时推向新高度。”

　　摘要

　　制冷对现代社会不可或缺，但主流的蒸气压缩系统依赖于具有高全球变暖潜势且对环境有害的氟碳制冷剂。固态卡路里制冷提供了一种低碳替代方案，但其实际应用受限于有限的制冷量以及需要二次流体的低效间接传热。本文报道了在NH₄SCN水溶液中，通过压力调控溶解与沉淀实现的极端压卡效应。该机制提供了极大的制冷量和显著提升的制冷效率。我们在室温下的溶液中获得了26.8 K的原位温降，超越了所有已知的卡路里材料。得益于极大的温降和溶液自循环带来的直接传热，设计了一种类卡诺循环，每循环可提供67 J g⁻¹的制冷量，第二定律效率达77%。这种基于溶解的方法超越了传统的相变范式，融合了当前主流技术的优点，成为一种前景广阔的可持续制冷解决方案。

　　研究背景：制冷技术革新迫在眉睫

　　环境代价高昂：传统蒸气压缩制冷使用的氟碳制冷剂（HFCs等）GWP值可达CO₂的数千倍，是加剧温室效应的主要人为源之一。

　　固态制冷瓶颈：磁卡、电卡、弹卡、压卡等固态卡路里效应材料虽熵变大，但其固态属性导致：

　　1、需要二次传热流体（如水、油），增加了系统复杂性和界面热阻。

　　2、实际可利用的温变远低于材料本身的绝热温变。

　　3、难以实现高效的等温换热，限制了循环效率。

　　核心矛盾：高效的直接传热（蒸气压缩）与低碳环保（固态卡路里）在现有技术中难以兼得。

　　创新策略：从“相变”到“溶解”的范式转移

　　本研究跳出固-液-气相变的传统框架，提出并实现了一种全新的制冷概念：基于压力调控溶解热的压卡效应。

　　1.核心原理：压力驱动的溶解平衡移动

　　在NH₄SCN饱和水溶液中：

　　加压：溶解平衡向沉淀方向移动，过程放热。

　　减压：溶解平衡向溶解方向移动，过程吸热（制冷）。

　　这一过程利用了盐溶解/沉淀过程中的巨大焓变，而非传统的潜热。

　　2.类卡诺循环设计（图1）

　　巧妙设计了四步循环，将压力驱动的溶解/沉淀过程整合为一个高效的热力学循环：

　　绝热加压（1→2）：加压引发沉淀放热，溶液温度升至热汇温度。

　　等温加压（2→3）：继续加压并沉淀，溶液循环至热汇放出热量。

　　绝热减压（3→4）：减压引发溶解吸热，溶液温度降至热源温度。

　　等温减压（4→1）：继续减压并溶解，溶液循环至热源吸收热量（制冷）。

　　关键优势：溶液自身既是工质也是传热流体，实现了直接传热，省去了低效的二次换热环节。

　　图1|基于溶解的极端压卡制冷概览。a，使用NH₄SCN水溶液的类卡诺制冷循环四步示意图。b，在NH₄SCN水溶液相图上展示的类卡诺制冷循环。c，NH₄SCN溶解过程的最大与前沿卡路里材料的对比。d，韦恩图展示本工作如何整合三种关键制冷优势。

　　关键技术突破：NH₄SCN水溶液体系

　　1.材料选择与极端性能

　　为何选择NH₄SCN？廉价、易得、水溶性好。此前已知其存在“逆colossal压卡效应”，本研究首次发现其压力调控溶解可产生极强的热响应。

　　创纪录的温降：在298 K、600 MPa压力下，实现了26.8 K的原位传热流体温降（），远超所有已知卡路里材料（图1c）。

　　离位性能：在最佳条件下（57.8 wt%，343 K），离位可达54.2 K，显示了巨大的制冷潜力。

　　2.压力调控溶解/沉淀的机制验证（图2，图3）

　　通过多种原位表征手段，揭示了压力如何精确调控相平衡：

　　图2|常压下的热力学性质。a，60 wt%溶液在0.1 MPa下的DSC曲线。b,c，60 wt%溶液在0.1 MPa下冷却和加热过程中的变温SXRD图案等高线图。

　　图3|压力调控的沉淀与溶解。a,室温下60 wt%NH₄SCN水溶液在不同压力下的原位拉曼光谱。b,c，晶格振动和C≡N伸缩振动的放大视图。d，50 wt%溶液在常压和15 wt%溶液在400 MPa下的DTA曲线。

　　扩展表征与机理深入：

　　冷却与加热过程的动力学不对称性（Extended Data Fig.1）：

　　Extended Data Fig.1a-c：放大展示了图2a的DSC曲线和60 wt%溶液的DTA曲线。冷却时观察到两个放热峰（NH₄SCN沉淀和共晶沉淀），而加热时仅有一个吸热峰（共晶溶解）。超过共晶线后，NH₄SCN的溶解是一个渐变过程（250-290 K），因此没有形成另一个明显的吸热峰。这种加热-冷却的不对称性是理解其热力学行为的关键。

　　扩展数据图1|加热-冷却不对称的动力学特征。a,图2a DSC曲线的放大视图。b,60 wt%NH₄SCN水溶液在常压下的DTA曲线。c,b图的放大视图。

　　拉曼光谱参考（Extended Data Fig.2）：

　　Extended Data Fig.2a-b：提供了固体NH₄SCN在298 K下的拉曼光谱，以及去离子水在293 K和不同压力下的原位拉曼光谱。这些参考光谱对于识别溶液在高压下的结构特征变化至关重要。

　　扩展数据图2|固体NH₄SCN和去离子水的拉曼光谱。a,固体NH₄SCN在298 K的拉曼光谱。b,去离子水在293 K不同压力下的原位拉曼光谱。

　　压力响应时间研究（Extended Data Fig.3）：

　　Extended Data Fig.3a-l：通过光学显微镜观察了60 wt%溶液在快速压力变化过程中的响应。压力升高时，固体立即沉淀；压力降低时，固体立即溶解。这种对压力变化的即时响应保证了制冷系统潜在的高工作频率。

　　扩展数据图3|使用光学显微镜观察研究60 wt%溶液在快速压力变化过程中的响应时间。a-f,压力升高过程。g-l,压力降低过程。

　　共晶点的压力依赖性（Extended Data Fig.4）：

　　Extended Data Fig.4：展示了15 wt%NH₄SCN溶液在高达400 MPa压力下的DTA曲线。常压下有两个明确的冷却峰（冰沉淀和共晶沉淀）。随着压力增加，两个峰向低温移动并逐渐合并，在400 MPa时合并为单峰，明确证实了压力可以显著移动共晶点，这是压力触发沉淀过程的热力学基础。

　　扩展数据图4|15 wt%NH₄SCN水溶液在高达400 MPa压力下的高压DTA曲线。

　　热力学模型：溶液熵的表达式为：

　　这个不可逆性会抵消部分可用制冷量，是限制效率的重要因素。

　　性能评估：高效率与大制冷量兼得

　　1.循环制冷性能（图4）

　　通过自制活塞圆筒装置测量原位温变，并结合热力学模型评估循环性能。

　　图4|制冷性能评估。a,298 K下水浴条件下的离位。b,60 wt%溶液的离位随基础温度的变化。c,298 K下逐步加压和快速减压过程中观测到的原位。d,200 MPa下的快速加压-减压循环。e,模拟的不同沉淀量对应的制冷量与效率。f,模拟的不同温跨对应的制冷量与效率。

　　2.扩展性能数据

　　浓度与温度依赖性（Extended Data Fig.5）：

　　Extended Data Fig.5：系统总结了离位随浓度和基础温度的变化。温降随浓度增加而显著增加，且在较高的基础温度下提升更为明显。这为优化工作条件提供了清晰的指导。

　　扩展数据图5|NH₄SCN水溶液的离位作为浓度和基础温度的函数。

　　热绝缘条件影响（Extended Data Fig.6）：

　　Extended Data Fig.6a-g：对比了三种热交换或绝缘条件下的离位：恒温水浴（最强传热）、开放空气、以及用绝热泡沫层包裹的烧杯。同时，还比较了相同热条件下不同溶液体积的影响。结果表明，绝热条件能减少热损失，而无绝缘的开放空气条件下热损失增加约12%。小体积样品由于热损失比例更大，测得的温降显著降低。这强调了在实际系统设计中热管理的重要性。

　　扩展数据图6|热绝缘条件对的影响。a-c,三种不同热交换条件下的离位。d-f,相同热条件下不同溶液体积的。g,不同绝缘条件和溶液体积下的最大离位对比。

　　循环稳定性与体积效应（Extended Data Fig.7）：

　　Extended Data Fig.7a：对60 wt%溶液在298 K下进行了多个连续的阶梯加压和快速卸载循环，值稳定，证明了良好的循环可重复性。

　　Extended Data Fig.7b：使用更小体积的样品池（0.31 mL）测量了原位，其值仅为0.51 mL样品池测量值的约50%，直观展示了样品尺寸和热绝缘对测量结果的显著影响。

　　扩展数据图7|60 wt%NH₄SCN水溶液在298 K下不同加压方案的原位。a,阶梯加压至200,400,600 MPa后的快速卸载。b,使用小体积样品池（0.31 mL）手动加压测量的结果。

　　热力学循环分析（Extended Data Fig.8）：

　　Extended Data Fig.8a：在温熵图上展示了本研究的类卡诺制冷循环（1-2-3-4-1），并与纯水及不同浓度溶液的等压线进行了对比。该图清晰显示了溶解过程带来的巨大熵变，使得循环面积（代表制冷量）显著大于典型固态卡路里材料的小熵变矩形，从而解释了其高制冷量的来源。

　　Extended Data Fig.8b：估算了由压力滞后引起的熵产生，其值随NH₄SCN浓度变化几乎线性增加。这为优化系统、选择工作浓度区间以减小不可逆性提供了理论依据。

　　扩展数据图8|类卡诺制冷循环示意图及相关熵产生。a,温熵图上的类卡诺制冷循环。b,由压力滞后引起的估算熵产生。

　　性能数据总览（Extended Data Table 1）：

　　该表格（对应于图1c的数据来源）详细比较了NH₄SCN水溶液与多种前沿卡路里材料（磁卡Gd₅(Si₂Ge₂)、电卡P(VDF-TrFE)、弹卡Ni₅₀Mn₃₁.₅Ti₁₈.₅、离子卡EC-NaI等）的关键性能参数，包括绝热温变、比热容、材料与水的质量比以及计算或测量的传热流体温变。NH₄SCN溶液的26.8 K值在其中最为突出。

　　效率计算与优化潜力：

　　在8 K温跨（300 K→308 K，基于空调应用标准）条件下，实现了77%的第二定律效率。

　　理论模拟显示，通过使用压力滞后更小的盐溶液，或优化操作压力与温跨匹配，效率可进一步提升。在20 K温跨下，最大第二定律效率可达82%，最大理论温跨约为32 K。

　　对于需要更大温跨的应用，论文指出可以采用类似于斯特林制冷机中使用的再生斯特林循环和被动回热器。

　　实际应用前景与技术挑战

　　1.潜在应用场景

　　数据中心冷却：该技术在高热负荷下的优异性能，特别适合用于大型数据中心的冷却系统。

　　家用与商用空调：如能解决高压系统的工程化问题，有望替代现有的蒸气压缩空调系统。

　　特种制冷需求：可用于需要精确温控或环保要求严格的场合。

　　2.技术挑战与改进方向

　　高压操作：当前系统需要在数百MPa压力下工作，这对设备材料、密封和安全性提出了高要求。未来的研究需要探索在更低压力下仍具有显著效应的材料体系。

　　系统集成：如何将高压系统与换热器、泵等部件高效集成，实现紧凑、可靠的制冷装置。

　　材料筛选：NH₄SCN只是众多可能性之一。通过高通量计算或实验筛选，有望找到压力滞后更小、溶解热更大、环境更友好的盐-溶剂组合。

　　循环优化：除了类卡诺循环，还可以探索其他热力学循环（如再生循环）以进一步提升性能或适应特定应用需求。

　　3.环境与经济效益

　　环保优势：完全避免了高GWP制冷剂的使用，符合全球环保趋势和法规要求。

　　能效优势：77%的第二定律效率已接近理想卡诺循环，显著高于大多数现有制冷技术。

　　材料成本：NH₄SCN和水都是廉价易得的材料，有助于降低系统成本。

　　总结与展望

　　本研究颠覆性地提出并验证了“基于压力调控溶解的压卡制冷”这一全新范式。以NH₄SCN水溶液为工质，成功地将大制冷量、低碳排放和高效直接传热这三个以往难以兼顾的制冷关键优势集于一身。

　　核心突破：

　　机制创新：从"相变制冷"转向"溶解制冷"，开辟了全新的材料与物理空间。

　　性能卓越：实现了26.8 K的原位温降、67 J g⁻¹的循环制冷量和77%的第二定律效率，全面超越现有固态卡路里材料。

　　系统优势：溶液自循环的直接传热方式简化了系统，快速的压力响应保证了高工作频率潜力。

　　深远意义：这项工作不仅报道了一种性能优异的制冷体系，更重要的是为探索非相变的先进制冷技术提供了灵感和范式。溶解过程复杂的热力学和动力学性质提供了广阔的参数空间和高可调性，预示着通过筛选其他盐-溶剂体系或优化循环，这一新兴制冷技术的性能还有巨大提升空间。

　　本研究启发了对新型制冷机理的探索，有望催生一系列基于溶解、吸附或其他非传统相变过程的高效制冷技术，为应对全球制冷需求增长与环境保护的双重挑战提供创新解决方案。