仿生可压缩木质相变凝胶的层级定向层状结构设计及其可控热管理应用

这篇研究创新性地开发了一种仿生可压缩木质相变凝胶（WPCG），通过将木糖醇凝胶（Xylitol gel）渗透到具有层级定向层状结构的木质气凝胶（Wood aerogel）中，实现了机械控制的热释放。该材料利用木糖醇固有的能量屏障可储存低品位热能（<100°C）长达1个月，其径向压缩强度和韧性较纯木糖醇凝胶提升5倍（444.23 kPa vs 90.15 kPa）。通过模拟骨骼肌产热机制，WPCG在径向压缩循环中触发接触-分离运动，释放178.6 J·g?1潜热，并作为热电发电机（TEG）热端实现2.13 W·m?2的清洁发电。该研究为离网地区可持续能源转换提供了新策略。

　　

1 引言
化石燃料燃烧产生的低品位热能（<100°C）占工业废热的60%以上，但其自发耗散特性限制了利用效率。受骨骼肌通过ATP水解产热（9-11次/分钟收缩频率）的启发，研究团队设计了一种仿生木质相变凝胶（WPCG）。天然木材经去木质素-半纤维素处理后形成具有层级结构（纳米纤维素纤维→微米细胞壁→宏观纤维）的木质气凝胶，其层状细胞壁通过氢键重构赋予材料径向压缩适应性。木糖醇凝胶作为相变材料（PCM），其超冷态（能量屏障240.3 J·g^?1）可实现热能长期存储，但传统PCM存在自发结晶缺陷。

2 结果与讨论
2.1 结构表征
X射线显微断层扫描显示，天然木材的蜂窝状孔结构（密度139 mg·cm^?3）经48小时化学处理后转变为层状气凝胶（密度50 mg·cm^?3），FT-IR证实木质素特征峰（1505 cm^?1）消失，纤维素（002）晶面衍射峰（22.5°）保留。SEM显示层状细胞壁间距压缩85%时仍保持结构完整性。

2.2 力学性能
径向压缩下，WPCG的应变分布均匀性（106.3%应变）显著优于木糖醇凝胶（37.1%），归因于纤维素纳米纤维平行排列的耗能机制。有限元分析显示其应力集中系数较纵向压缩降低72%，200次循环后仅16%应力衰减。

2.3 热控释放
DSC测试表明WPCG的熔融焓为183.7 J·g^?1（纯木糖醇为240.3 J·g^?1）。压缩频率从0.25 Hz提升至1 Hz时，结晶时间从54.3分钟缩短至21.8分钟，晶体生长速率达6.89 μm·s^?1（木糖醇凝胶的3倍）。红外热像显示5°C温升，对应178.6 J·g^?1热释放。

2.4 热电应用
碳纳米管（CNT）涂层的WPCG在800 W·m^?2光照下实现171.56°C热端温度，与0°C冷端构成TEG，输出功率密度2.13 W·m^?2。56个串联模块可驱动智能手机充电（9.6 W·m^?2峰值功率），优于多数报道的有机PCM基TEG器件。

3 结论
该研究通过仿生层级结构设计解决了PCM机械强度差（90.15 kPa→444.23 kPa）和热控释放难的矛盾，其生物质来源和机械触发特性为空间供暖、电池热管理等替代化石能源提供了新思路。未来需拓展至大尺度热能工程应用。