重大：具有分层结构的碳基光热超疏水材料增强抗冰和光热除冰性能

成果简介

户外设备表面结冰给人类的生活和生产带来很大的不便。具有微纳米结构的超疏水材料被认为是有效的防冰材料。然而，重复的结冰和除冰过程会破坏结构并失去防冰性能。

重庆大学工程热物理研究所王宏教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Carbon-Based Photothermal Superhydrophobic Materials with Hierarchical Structure Enhances the Anti-Icing and Photothermal Deicing Properties”的论文，研究提出，通过电化学沉积和硅烷化处理方法制备了低成本、耐用、高效的光热超疏水材料。结合碳材料的黑体特性和微纳分级结构，所制备的材料具有优异的光热和超疏水性能。表面温度可升至 90 °C，100 mW/cm 2下的冷冻液滴可在 100 秒内融化的阳光照明。超疏水特性赋予材料优异的防冰性能，冰延迟时间长达3600s。由于超疏水表面的低附着力，融化的水滴可以快速滚落，避免了融化的水滴再次冻结，增强了光热转换性能。我们创新地使用元素示踪方法来了解倾斜表面上融化的水滴滚落机制。

此外，还建立了防冰和光热除冰过程的传热模型，以确认除冰过程中融冰所需的热量主要由光热材料产生。最后，通过风力发电机叶片的防冰/除冰实验和冰/霜层融化实验验证了该材料实际应用的可行性。结论是利用制备的光热超疏水材料的高光热转化率和优异的超疏水性能实现了优异的防冰和除冰性能。该研究为在表面构建微纳分层结构并将其与自然界中丰富的太阳能相结合，开发光热防冰材料的实际应用提供了新的思路。

图文导读

图1. 自制装置的防冰和光热除冰性能测量示意图。

方案1. (a) 光热超疏水材料的制备过程示意图，(b) 微纳米分层结构引起的光捕获效应的说明， (c) 光热超疏水材料的防冰和光热除冰机制材料

图2. (a-c) CC 和 (d-f) ST@CA /CC 的SEM 图像和 EDS 映射。(a, b) CC 低倍率和高倍率的 SEM 图像。(c) C、F、Si 和 O 在 CC 上的分布的 EDS 映射。仅检测到 C。(d, e) ST@CA /CC 低倍率和高倍率的SEM 图像。(f) C、F、Si 和 O 在ST@CA /CC上分布的 EDS 映射。检测到所有元素。

图3. (a) CC、ST@CC和ST@CA /CC 的太阳光谱辐照度 (AM 1.5 G) 和 UV-vis-NIR 吸收光谱。(b) CC、ST@CC和ST@CA /CC 在 1 个太阳光照条件下的红外热像仪图像。(c) 记录CC、ST@CC 、ST@CA /CC开灯升温过程和关灯降温过程。（ d ）在室温（T s = 25°C）下，在 1 次阳光照射下 500 秒，不同表面的表面平均温度变化。(e)在q 的太阳照度值下ST@CA /CC 的表面平均温度= 50、100 和 150 mW/cm 2。(e) 的插图是t = 500 s 时的红外热像仪图像。

图4. (a) Al、CC、ST@CC和ST@CA /CC 表面上的冷冻液滴的光热除冰过程。(b) 不同表面的冰融化时间。光照下冷冻液滴与表面之间的传热过程示意图：（c）光滑的铝表面和（d）微纳米分级结构光热表面。

图5.重庆大学多功能人工气候实验室工程应用试验。

图6. 耐久性、稳定性和机械强度测试

小结

这项工作表明，具有微纳米分级结构的碳基材料可用于制备高性能光热超疏水防冰/除冰材料。微米碳纤维表面密集的碳纳米线阵列赋予了优异的超疏水性能，并由于光捕获效应增强了光吸收。得益于低成本、耐用、高效的光热热转换和优异的超疏水性能，制备的ST@CA/CC表面很可能成为新一代防冰材料的有希望的候选者，本文的研究结果为在表面构建微纳分层结构以提高防冰除冰性能提供了一种新方法.

文献：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c15028