水-冰相变巨大压热效应：优化成核动力学实现高性能固态制冷新策略

本文系统研究了水-冰相变的压热效应（BC），通过引入膨胀石墨（EG）和碘化银（AgI）构建异相成核框架，显著增强水分子成核能力，将驱动压力从205 MPa降至86 MPa，同时将可逆等温熵变（?Srev）提升至1089 J kg?1 K?1。该研究为开发低驱动压力、高性能液态-固态相变材料（L-S-T）提供了新思路，对推动绿色制冷技术（BC refrigeration）具有重要意义。

　　

Highlight

水-冰相变展现出巨大的压热效应（barocaloric effect, BC），其可逆等温熵变（?S_rev）高达949 J kg^?1 K^?1（驱动压力205 MPa）。通过构建膨胀石墨（EG）-碘化银（AgI）成核框架，显著增强异相成核能力，将驱动压力降至86 MPa，同时?S_rev进一步提升至1089 J kg^?1 K^?1。分子动力学模拟表明，较低压力对水分子平移自由度影响较小，导致冰-水相变熵差增大。EG的高导热性加速了相变过程，有望实现高工作频率和输出功率的制冷器件。

Colossal barocaloric effect of H₂O

通过差示扫描量热法（DSC）测定水-冰相变的熵变，?S高达1268 J kg^?1 K^?1，远超此前报道的液态-固态相变材料（如正烷烃、脂肪酸、醇类）。这种巨大熵变源于氢键长度和角度的变化。然而，水的严重过冷现象（达18 K）导致高热滞后，需要高达205 MPa的驱动压力才能触发相变。

Conclusion

本研究证实水-冰相变具有 colossal 的可逆熵变（949 J kg^?1 K^?1），但需高压驱动。外部压力通过抑制水分子运动降低熵变。通过引入AgI-EG成核框架，显著提升成核能力，降低驱动压力至86 MPa，同时熵变增至1089 J kg^?1 K^?1。该策略为开发高性能、低驱动压力的压热材料提供了新途径。