香港科技大学团队开发出低至-60℃环境防冰的超疏水选择性光热表面

WaterOff

2022-08-10 09:45:56

寒冷环境下，冰和霜易凝结于飞机机翼、火车轨道、高压电线等处，造成了巨大的安全隐患。因此，如何有效阻止或者延迟冰在低温表面上的成核和生长成为亟待解决的问题。传统的机械振动除冰、化学除冰和电加热除冰不但与可持续发展的世界主题相悖，而且除冰过程容易破坏表面。近些年随着材料科学的发展，研究人员利用防冻蛋白、表面疏水处理或添加润滑层等方法成功提高了表面的防结冰或除冰能力。但是，这些表面制备方法复杂，成本高昂，并在极端低温条件下易失效，这些缺点限制了它们在实际生产中的应用。

为了解决上述问题，香港科技大学团队合作开发了一种低成本高效率的太阳能光热防冰融冰超疏水表面，成功实现了低至零下60摄氏度超低温下的防冰。该表面通过化学刻蚀法及溶液旋涂法制备，将氮化钛（TiN）光热纳米颗粒镶嵌在具有微纳结构的铝表面上，同时实现了三种效力：其一，微纳结构及光热纳米颗粒的协同效应提高了表面的光捕捉效率，其二，通过合理的控制微纳结构的尺度和纳米粒子的厚度，得到了低红外发射率表面并极大地降低了辐射热损失，其三，改性处理后表面具有超疏水性（图1）。

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图1. 超疏水-选择性光热表面原理

为了实现高光热转换效率，表面需要在提高太阳能吸收率的同时减小热损失。作者在之前工作中制备了基于TiN纳米颗粒的具有光谱选择性的太阳能吸热涂层（selective solar absorber，SSA），实现了在0.3-2.5 μm太阳光谱高吸收率，>2.5 μm中红外波段低发射率，获得了远高于其他无选择性黑体的光热效率（图2）。但此处为了实现超低温下防冰，表面需要同时满足高太阳能吸收率、光谱选择性和超疏水性三个特性。作者通过控制化学刻蚀和颗粒涂覆工艺以优化微纳米结构的形貌成功实现了上述目标。表面的疏水性、选择性受刻蚀时间的具体影响：当刻蚀时间过短，微纳表面易被光热粒子覆盖失去超疏水性；刻蚀时间过长会导致表面孔隙过大，增强中红外光的吸收，从而失去选择性（如SHB）。作者在优化工艺后得到了接触角约为162°，滚动角约为5°，光热转化效率71%的选择性超疏水光热表面（SHSSA）。优化后的表面光谱如图2所示，尽管超疏水非选择性光热表面（SHB）有着最高的太阳光吸收率，但高达96%的发射率降低了总的光热转换效率。在一个标准太阳光下，选择性超疏水光热表面（SHSSA）的温升达到了61 ℃，高于非选择性超疏水光热表面（SHB）的52 ℃。

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图2. SHSSA, SHB 及SSA表面表征

得益于选择性吸收光热表面的高光热转换效率，本文首次成功实现了在低至-60 ℃的极寒环境下的防冰。在环境及底面温度均达到热平衡后1000 s，液滴依然未完全结冰（图3）。

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图3. -60℃下的防结冰实验

在除冰和除霜实验中，对比未作疏水处理的选择性光热表面（SSA），疏水选择性光热表面（SHSSA）能够在融化底部冰或霜后形成空气层，帮助未融化的冰或霜快速滑落（图4-5）。这种除冰除霜方式不但节省了时间，同时避免了融化后的水残留在表面继续吸收热量或再次结冰。同时作者展示了光热效应融霜融冰不会对表面微纳结构产生破坏，SHSSA在多次除冰循环后疏水效果和光热效果均未受影响。

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图4. 标准太阳光下的除冰实验

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图5. 标准太阳光下的除霜实验

综上所述，本文通过调节微纳米结构，得到了具有超疏水和光谱选择性的光热防冰表面。相比于非选择性的超疏水光热表面，在标准太阳光下表面温度显著提升，因此实现了在极寒冷条件下防止液滴结冰。此外，得益于超疏水特性，底面的冰或霜被融化后形成空气层，使上层未融化的冰霜滑落，同时在多次重复结冰融冰循环后展现了良好的稳定性。此外，SHSSA为全溶液法制备，成本低，可大规模制造，为极度寒冷条件下防冰除冰提供了高性价比且可靠的选择。

相关论文发表在Cell Reports Physical Science 上，香港科技大学博士生马维和博士后李洋为文章的共同第一作者，香港科技大学姚舒怀教授、李威宏研究助理教授及黄宝陵副教授为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Solar-assisted icephobicity down to -60°C with superhydrophobic selective surfaces

Wei Ma, Yang Li, Christopher Y.H. Chao, Chi Yan Tso, Baoling Huang, Weihong Li, Shuhuai Yao

Cell Rep. Phys. Sci., 2021, 2, 100384, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100384

导师介绍

姚舒怀，香港科技大学机械与航空航天工程系教授。姚教授于2000年在清华大学获得学士学位，并分别于2001年和2005年在斯坦福大学获得硕士和博士学位。此后在劳伦斯利弗莫尔国家实验室做博士后研究。于2008年起就职于香港科技大学。研究领域为相变传热及微流控芯片。在相关领域发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表在Nature Physics, Physical Review Letters, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Nano Letters, Advanced Science等。

黄宝陵，香港科技大学机械与航空航天工程系副教授。黄教授于分别于1999年和2001年在清华大学获得学士和硕士学位。2004年赴美国密歇根大学安娜堡分校深造，并于2008年获得博士学位。此后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室做博士后研究。于2010年起就职于香港科技大学。研究领域是微尺度传热传质，光热利用以及固态能源存储，在相关领域发表SCI论文80余篇，包括以通讯作者发表在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Nano Energy, Nano Letters, Physical Review B 等。

李威宏，香港科技大学机械与航空航天工程系研究助理教授。李教授分别于2013年和2018年获得清华大学学士和博士学位。2018年赴英国格拉斯哥大学担任研究员。于2019年起就职于香港科技大学。研究领域是微纳相变传热与航空航天热管理技术，在相关领域发表SCI论文30篇，包含以通讯作者发表在Cell Reports Physical Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, Journal of Heat Transfer, Journal of Turbomachinery 等。