陕科大王成兵教授/师晶副教授团队 CEJ：光热除冰材料最新进展及面临的挑战

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近日，陕西科技大学王成兵教授/师晶副教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（IF=15.1）发表了题为“Recent advances in photothermal anti-/de-icing materials”的综述文章。

以太阳能为基础的能源转换和储能技术为解决人类能源短缺提供了巨大的希望，也是实现“碳达峰、碳中和”的最有效手段之一。其中，太阳能光热防/除冰材料（PA/DIMs）在航空、电力、建筑、运输等领域有重大应用前景，也是近年最为先进的研究热点之一。该综述对先进的光热转换材料及其光热转换机理、性能评价、工程应用、进行了全面回顾（图1），并总结了该领域未来面临的挑战，为光热防/除冰材料的设计提供有价值的见解。

图1. 光热防/除冰材料及其光热转换机理、性能评价、工程应用概述

1. 光热防/除冰材料的光热转换和防/除冰机理

光热除冰是一个复杂过程，包括光吸收、光热转换、热传导、融冰等几个步骤。一般来说，理想的光热转换候选材料应该在整个太阳光谱范围内吸收太能光，并将光能有效地转化为热能，而不进行任何能量转换或热辐射。目前，光热防/除冰材料的光热转换机制包括：（1）等离子激元限域加热，即材料中局域电子的固有频率与入射光光子频率相匹配时，两者之间发生的等离子激元共振；（2）电子空穴生成-弛豫加热，材料中的电子和入射光光子相互作用时，电子通过能级跃迁至高能态来吸收光子能量，这些高能态电子通过二次辐射或弛豫至初始态来释放能量；（3）分子热振动加热，即依赖于材料固有的π-π*的激发和弛豫来产生和释放能量。

除了高效的光热转换性能之外，材料表面通过形貌特征设计也能达到防/除冰性能的目的。首先，具有高水接触角(> 150℃)和小滚转角(< 10℃)的超疏水表面易于水滴滑/滚动。在结冰前和结冰期间，超疏水表面能够通过减小液滴与基体的接触面积和增加形核能垒抑制非均相成核（图2a），从而增加结冰时间。其次，在结冰后，具有疏冰特性的液体注入表面能最大限度地显效冰与材料表面的粘附。第三，表面粗糙度引起的超疏水性用于设计疏冰或防冰涂层（图2b-e），但是这一条件成立的前提是材料表面水和冰具有相同的黏附机理。事实上，接触角决定了水的黏附，而接触角和固固界面的初始裂纹尺寸共同决定了冰的黏附强度（图2f）。因此，材料的疏水特性与疏冰特性并非充分必要关系。

图2. 光热防/除冰表面形核机制（a）、材料形貌特征和结构设计（b-e）、疏水-疏冰机理（f）。

2. 光热防/除冰材料的性能评价

针对光热防/除冰材料性能对评估方法的敏感性，综述了近年来光热防/除冰材料性能评价的研究进展，从测量技术，包括冰黏附强度、延迟结冰时间、机械耐久性和物理化学稳定性四个方面进行了详细讨论。

3. 光热防/除冰材料的最新进展及应用

光热防/除冰的良好候选材料应该具有宽带阳光吸收和疏冰性能。然而，由于太阳光吸收效率的限制，必须采用两种或多种策略并联的方式来达到良好的效果。本文将光热防/除冰材料的设计策略分为五种不同的机制，即“光热+光滑液体注入多孔表面”策略、“光热+超疏水”策略、“光热+电热”策略、“光热+磁热”策略和“光热+相变热”策略。

此外，本文介绍了光热防/除冰材料在飞行器（飞机机翼、飞机蒙皮等）、电力设备（电线电缆、叶片、绝缘体）、建筑（建筑物窗户/屋顶、路面）和智能穿戴（眼镜、衣服）等方面的应用（图3）。

图3. 光热防/除冰表面形核机制（a）、材料形貌特征和结构设计（b-e）、疏水-疏冰机理（f）。

4. 光热防/除冰领域的挑战

光热转换效率的提升是光热防/除冰材料面临的第一个挑战。太阳光谱选择性吸收是最有效的策略之一，其与电热效应的协同，对开发全天候被动防/除冰系统有重要意义。同时，在复杂工况（如高海拔地区低温、夏季高温、阴天等）下，“择性吸收+电热” 防/除冰系统需要更高的力学性能、光热转换效率、机械耐久性和物理化学稳定性。因此，在恶劣环境下实现综合性能的提升极具挑战性。

多功能一体化是光热防/除冰材料面临的第二个挑战。例如，除光热防/除冰之外，智能穿戴领域所提出的人体皮肤舒适度和轻量化要求；防雾/冰玻璃等透明衬底表面所提出的透明性要求；军事航空领域所提出的电磁屏蔽要求；海洋工程领域所提出的防腐蚀要求等。

光热防/除冰材料的性能可控是光热防/除冰材料面临的第三个挑战。目前，现在报道主要集中在光热防/除冰材料在单一寒冷环境下的性能。在未来，则要求光热防/除冰系统的关键性能能够根据外界环境（交变温度、入射光类型和强度等）的变化而发生智能响应。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148265

通讯作者简介

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王成兵，男，1980年生，博士（后），教授，博士生导师，中国机械工程学会表面工程分会青年委员，摩擦学分会青年委员，磨损与表面技术专委会委员，国家自然科学基金同行评议专家，陕西科技大学学术骨干。毕业于中国科学院兰州化学物理研究所，获理学博士学位，因科研成绩优异，获“朱李月华”优秀博士生奖学金。2015年1月至2016年1月作为国家公派访问学者在美国加州大学圣地亚哥分校学习。近3年以第一作者/通讯作者在NanoEnergy, Small, J. Mater. Chem. A, Solar RRL, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Mater. Design., Chin. Chem. Lett.等期刊上发表SCI论文10余篇，其中影响因子10以上论文6篇，高倍引论文1篇，邀请综述1篇，封面论文3篇。作为项目负责人先后主持完成教育部博士点新教师基金项目1项、中国博士后基金面上资助和特别资助项目各1项、国家自然科学基金4项。

师晶，女，博士（后），副教授，硕士生导师，陕西省青年科技新星，陕西省科学技术协会青年人才托举计划入选者。中国机械工程学会表面工程分会青年学组特邀专家，国家自然科学基金同行评议专家，陕西省机械工程学会摩擦学分会会员，陕西科技大学机械表面技术与服役行为研究中心成员，机电工程学院材料成型及控制工程系副主任。2018年于中国科学院兰州化学物理研究所获工学博士学位。2019年9月至2021年9月，在西北工业大学机电学院从事博士后研究工作。主要从事机械摩擦学理论及表/界面行为、固体润滑涂层先进制造等领域的教学和科研工作。近5年，主持纵向科研项目8项（含国家级/省部级等），参与国家级科研项目若干项，以第一/通讯作者在SCI期刊上发表论文10余篇，其中封面论文2篇。以第一/通讯作者在SCI期刊上发表论文10余篇，其中封面论文2篇。

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