东北林业大学王成毓教授团队Carbon Energy：受骨骼肌收缩产热启发，实现回收低品位热能的可控释放

学会授权，释放团队成员的潜力。 #生活常识# #社交技巧# #团队合作#

热能利用在社会生产与人类生活中发挥着关键作用。然而，当前大部分热能通过化石燃料燃烧产生，这不仅导致大量二氧化碳排放，更对全球可持续发展构成重大挑战。广泛存在的低品位热能（<100℃）主要包括太阳能、地热能及工业余热。在此背景下，对低品位热能进行回收利用，将成为降低化石燃料依赖和推动可持续发展的有效策略。然而，回收的低品位热能在储存过程中表现出自发散热特性，对其后续的按需利用形成了显著制约。受到骨骼肌收缩产热现象的启发，研究人员通过将能储存低品位热能的木糖醇凝胶浸渍入具有层次化定向层状结构的木材气凝胶中，成功构建出兼具可压缩特性与机械响应型热释放特性的木材相变凝胶。机械压缩使储存了低品位热能的木材相变凝胶从过冷态转变为结晶态，从而引发可控的热能释放（大约为178.6 J g-1），并使木材相变凝胶的整体温度升高约5℃。该成果以“Biomimetic and compressible wood phase change gel with hierarchically aligned lamellar structure for controlled thermal management”为题发表在期刊《Carbon Energy》上。论文的通讯作者为东北林业大学王成毓教授、杨海月教授、甘文涛教授和温州大学肖遥教授。设计理念与核心优势骨骼肌产热为应对上述挑战提供了一种具有潜力的策略。作为一种可持续、操作简便且成本较低的生理过程，骨骼肌产热能在寒冷环境中以自主可控的方式实现长时间的体温维持。该过程通过肌肉的持续性收缩实现，其收缩频率约为每分钟9至11次（图1A–C）。肌肉收缩过程中的产热现象源于肌细胞内储存的三磷酸腺苷（ATP）水解为二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸盐（Pi）的过程（图1D–F）。骨骼肌凭借其显著的高强度与高韧性，能够在整个生命周期中维持稳定、持续的收缩功能。这种功能稳定性源于其独特的层次化定向结构：从纳米尺度的肌球蛋白/肌动蛋白，到微米尺度的肌节组织，最终形成宏观尺度的肌纤维束（图1A）。有趣的是，天然木材同样展现出类似的层次化定向结构，即从纳米尺度的纤维素纤维，到微米尺度的细胞壁组织，再到宏观尺度的木材整体结构。受骨骼肌产热现象的启发，研究团队开发了一种可压缩的木材相变凝胶。该材料通过将木糖醇凝胶浸渍到木材气凝胶中制备而成，实现了机械可控的热释放。木糖醇凝胶能够稳定存储回收的低品位热能至少1个月，这得益于其固有的能垒。木材气凝胶的层次化定向的层状结构促进了其与木糖醇凝胶之间的机械适应性、氢键形成及能量耗散，使得木材相变凝胶的压缩强度和压缩韧性相比纯木糖醇凝胶提升了五倍。这种力学性能的显著增强，使得木材相变凝胶在径向压缩过程中能够与基底发生反复的接触-分离循环（图1G, H）。这一过程克服了木糖醇凝胶的能垒，促使其从过冷态向结晶态转变，进而触发可控的热量释放（图1I-L）。木材相变凝胶释放的潜热约为178.6 J g-1，可使其整体温度升高约5℃（图1M-O）。作为概念验证研究，该木材相变凝胶被用作温差发电机的热端。通过对回收的太阳热能进行可控释放，该装置可产生约2.13 W m-2的清洁电力。本研究提出了一种可持续的策略，通过可控利用回收的低品位热能实现离网发电。图1可压缩木材相变凝胶的仿生灵感和可控热释放特性。图2木质素和半纤维素被完全去除后木材的结构和成分变化。图3不同压缩方向下木材气凝胶的机械性能。图4 木材相变凝胶的增强与增韧。图5 仿生可压缩木材相变凝胶的可控放热图6 仿生可压缩木材相变凝胶通过可控利用回收的低品位太阳热能实现热-电转换。总结与展望研究团队通过将木糖醇凝胶浸入木材气凝胶中，开发出一种可压缩的、机械力控制热释放的仿生木材相变凝胶。该材料能够通过机械压力精确调控回收低品位热能的释放过程，为可持续离网发电技术奠定了基础。此外，木材相变凝胶在依赖化石燃料燃烧供热的领域（如空间供暖、个人热疗、电池热管理和海水淡化）也展现出显著的应用潜力。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70041来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

网址：东北林业大学王成毓教授团队Carbon Energy：受骨骼肌收缩产热启发，实现回收低品位热能的可控释放 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1207434

相关内容

南开大学陈永胜教授和马儒军教授团队Nano Letters：用于人体热能收集与热管理的超弹性石墨烯基热电海绵
能源学院王丽副教授团队技术成果被人民网报道
找东北虎、野外搜救、森林防火……“无人机+热成像”如今正大显身手
找东北虎、野外搜救、森林防火……“无人机+热成像”显身手
在北京货架回收2025专+业+团+队>
废热回收
Characteristics and influencing factors of carbon emission from typical community household consumption: a case of Beijing
《今日材料》子刊发表杨荣贵教授团队关于个人热管理的研究成果
余热回收的热泵系统发展
钢铁工业低碳绿色发展路径与实践

随便看看