近年来，温室效应导致全球气温升高，极端恶劣天气频现。温室效应的源头之一是传统压缩制冷技术采用的氢氟碳化物。这类物质产生的温室效应是二氧化碳的2000倍。随着极端高温的频现，全球制冷需求将会持续快速增长。因此，急需寻找一种环保高效的制冷方式来解决全球变暖。
食盐是人们生活中最常见的调味品，在冬季常常用于清除道路的积雪。其背后的原理很简单，盐能够降低水的凝固点，能够促使雪融化从而达到除雪的目的。基于此原理，美国劳伦斯伯克利国家实验室的Ravi Prasher教授提出了一种新型制冷技术（离子热卡制冷），该制冷技术仅需施加0.22 V的电压便能实现25 oC的降温，同时制冷效率达到了卡诺循环的30%，远高于其他制冷方式。相关工作以题为“Ionocaloric refrigeration cycle”发表在《Science》。如图1A所示，离子热卡制冷循环分为4个过程：1）将盐与固体混合，凝固点降低；2）固体发生融化，吸热；3）将盐与液体分离，凝固点升高到初始值；4）液体变为固体，放热。如果将这四个过程组合成为一个完整的卡诺循环，如图1B所示。热力学循环过程分别为1）等熵混合，温度降低；2）等温吸热；3）等熵分离；4）等温放热。离子热卡制冷循环的最高和最低工作温度由固体材料的熔点和二元混合物的最低熔点决定。制冷能力或每个循环吸收的热量由固体材料的熔融焓决定。理想的离子热卡材料具有高于室温的熔点、远低于室温的低共熔点以及高熔融焓。基于此，作者选用碘化钠作为盐，碳酸乙烯酯作为固体介质。碳酸乙烯酯的潜热达到了204.6 J mL−1，略低于水的潜热（330 J mL−1）。另外，碳酸乙烯酯可以由二氧化碳合成得到，具有环境友好、无毒、零温室效应的优势.
对于制冷技术来说，熵变的大小决定了温度变化。本文实验中得到的熵变为802.08 J L−1 K−1，远高于压热效应（415.8 J L−1 K−1）、弹热效应（299 J L−1 K−1）、磁卡效应（143.3 J L−1 K−1）和电卡效应（97.9 J L−1 K−1）。此外，压热效应、弹热效应、磁卡效应和电卡效应通常都需要施加高于常规的外场刺激才能获得满意的制冷效果。举例来说，磁卡效应需要施加5特斯拉的磁场，弹热效应需要施加700 MPa的压力。而离子热卡制冷仅需要低于1V的电压就可以实现。完成离子热卡制冷循环的关键是碘化钠与碳酸乙烯酯可逆分离与结合。本文作者采用了电渗析方法（脱盐过程）来实现了碘化钠与碳酸乙烯酯的分离。其工作原理如图2A所示。两个电极分别负载了0.5 M NaI3 and 1.5 M NaI，形成一组对称电池。外加电压诱导Na离子通过离子交换膜从而与碳酸乙烯酯分离，这一过程与燃料电池和电池相似。图2 离子热卡制冷的工作原理以及与其他制冷方式的对比从图2B和C可以看出，离子热卡制冷在温差为26 oC的情况下，卡诺循环效率达到了30%，远高于其他四种制冷方式。制冷功率达到了5.75 W L−1，比电卡制冷功率低了一个数量级，这是由于电卡制冷的温差较低。可以通过提高电流密度的方式进一步提升制冷功率。举例来说，本文中的电流密度仅为0.5 mA cm−2，如果采用低电阻的离子交换膜将电流密度提升至800 mA cm−2，离子热卡制冷功率能够达到9.2 KW L−1。
