贺曦敏/朱新远《PNAS》:蜡烛烟灰高效除冰法! 零下50°不结冰! 光热去冰自清洁!

结冰可能会破坏人类活动,甚至造成人类生命危险,是日常生活的常见问题。例如,结冰和积冰会导致车辆和飞机的机械故障;风力涡轮机、住宅和电力线的结构损坏;滑倒事故和交通碰撞。传统的防冰策略包括加热、化学和机械除冰。但这些方法都受到能源密集、效率低和环境不友好的困扰。以光热效应防冰因无需添加有害化学物质而具有环境友好性。近年来,人们发现等离子体、磁性粒子和碳纳米材料可用于光热表面,利用光能/太阳能产生热量并融化积冰。然而,这也存在着许多局限性和挑战,如材料昂贵、难以制造;融化的水在没有连续光照时会再次冻结;灰尘等污染物会阻挡阳光,导致太阳能利用效率低下。因此,利用光热效应和超疏水性,开发多功能表面兼具融冰、除水及其他污染物的新方法是急需的。

近期,加利福尼亚大学贺曦敏教授与上海交通大学大学朱新远教授合作以Superhydrophobic photothermal icephobic surfaces based on candle soot为题发表于PNAS期刊上,作者认为蜡烛烟尘因其在结构和物理上的特点可用于制造这种多功能表面。在结构上,不完全燃烧使蜡烛烟尘拥有近乎完美的层次结构,这种结构使沉积在基底上的烟尘成为理想的超耐热涂层。在物理上,黑色使其具有极好的光热转换效果。此外,其超疏水性还可能进一步改善光热性能:一是熔融水能从蜡烛烟灰表面能立即流出去除,从而避免了因熔融水的反射率和热质量,这可大大降低热损失。其次,灰尘和其他污染物很容易被融化的水或雨水冲刷,从而防止阳光的阻挡和散射,从而有利于保持长期的高光热效率。作者基于蜡烛烟灰的特性,将其应构建成一种廉价高效的超疏水光热涂层,它能够去除冷凝液滴、霜和冰,并大大降低了冻结温度。这种高性能防冰表面具有自清洁、光照自愈和高耐久性等特点。

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结果与讨论

1. PSCS的制作过程

通过将破片放置在蜡烛火焰上方,蜡烛烟尘很容易沉积在玻璃载玻片上(图1A)。为了加强蜡烛烟尘层(CS)层,并使涂层更坚固,作者通过四乙氧基硅烷(TEOS)的化学气相沉积(CVD)在烟尘颗粒(SCS)上涂覆二氧化硅外壳。最后,在紫外光下将聚二甲基硅氧烷(PDMS)刷涂到二氧化硅外壳上。因此,涂层(PSCS)由CS颗粒、二氧化硅外壳和PDMS刷子三部分组成(图1B)。CS粒子在阳光照射下产生热量,二氧化硅外壳增强涂层,PDMS刷子赋予涂层超疏水性。PSCS表面具有光热和超憎水两种性质:当被太阳光照射时,积冰可以通过光热效应从烟灰层产生的热量中融化,同时由于超憎水顶层,融化的水很容易滚落(图1C和D)。

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图1. PSCS表面的制造工艺示意图。在蜡烛火焰上方的玻璃载玻片上沉积蜡烛烟尘(A),随后,涂上二氧化硅外壳和PDMS刷子(B)。(C)防冰表面的工作机理。在太阳光的照射下,由于光热效应(C2)产生的热量,表面(C1)上积聚的冰可以融化,而融化的水可以在倾斜表面(C3)上滚落。(D)PSCS的层次结构。

2. PSCS表面的疏水性

当玻片保持在蜡烛火焰上方时,它充当火焰和氧气之间的屏障,导致不完全燃烧并生成碳纳米颗粒。这些碳纳米颗粒凝结并凝聚形成CS层。该层由直径为30–40nm的互连碳颗粒组成(图2A1和A2)。由于碳的低表面能,CS层是超疏水的。水滴在CS表面的静态接触角为161±1°(图2A3)。包裹在煤烟颗粒周围的二氧化硅形成了很强的颗粒间结合,这增强了裸露煤烟涂层的稳定性和坚固性(图2B2)。由于二氧化硅的亲水性,SCS层不是疏水的(图2B3)。接枝PDMS后,在二氧化硅的基本形貌保持不变(图2C1)。SEM显示粒子间的边缘变光滑,表明PDMS成功地接枝到二氧化硅上(图2C2)。在PDMS刷面上,接触角增加到163±1°(图2C3),同时水滴在小于5°的滑动角下很容易滚走。

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图2. 表面形貌和润湿性。(A 1和A 2)CS层的SEM图像。(A 3)CS表面的水接触角。(B 1和B 2)SCS的SEM图像。(B 3)SCS表面的水接触角。(C 1和C 2)PSCS的SEM图像。(C 3)PSCS表面的水接触角。

3. PSCSSCS的光热效应

CS的厚度可通过改变沉积时间调节CS。厚度分别为1.5、5.1和30.0μm的煤烟层的横截面都是均匀的多孔结构(图3 A-C)。随着光照时间和烟尘层厚度的增加,涂层的温升(ΔT)大大增加,300秒后达到50°C的最大值(图3D),当厚度大于10μm时,ΔT不再增加。这一极限可能是由太阳光穿透深度决定的。在照射后,CS、SCS和PSCS的△T分别为53.3、53.2和53.3°C,分别表明二氧化硅外壳和PDMS对光热效率影响不大(图3E)。此外,随着光强度从0.5太阳增加到1太阳和1.5太阳,ΔT从20℃增加到53℃和73℃(图3F)。红外图像也表明PSCS的温度在整个表面上是均匀的。由于CS表面具有纳米级尺寸,该尺寸小于太阳光的波长,可有效的吸收光,光在层次结构中多次内部反射,直到完全吸收。

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图3. 沉积CS层的光热特性。厚度分别为1.5μm(A)、5.1μm(B)和30μm(C)的CS的横截面SEM图像。(D)不同厚度的CS在一个太阳下的温升(ΔT)。(E)CS、SCS和PSCS的温升(ΔT)。(F)分别在0.5太阳(F 1)、1.0太阳(F 2)和1.5太阳(F 3)下的PSCS红外图像。

4. PSCS和SCS对冰和霜的融化能力

与致密透明的大块冰相比,霜具有多孔性和分形性,对阳光的反射和散射能力更强,利用阳光融化霜具有挑战性。作者系统地研究了SCS和PSCS分别在阳光照射下融化霜和冰的能力。在PSCS表面,霜在被照射60秒后开始融化,融化的水在表面形成水滴(图4A1), 这一过程在SCS表面则需240秒(图4A2)。此外,熔化的水留在在SCS表面上,而PSCS表面几乎没有水,少量残余熔化水膨胀成微小的液滴,很容易从表面滚落到平台。在720秒内,PSCS表面的冰全部融化,水很容易滑落(图4B1),但还有一部分冰在SCS表面(图4B2)。剩余的熔融水在SCS表面降低了光热效率,相比之下, PSCS表面无残留熔融水,其表面温度迅速升高,比SCS表面温度高出近10倍。与机械除冰方法相比,融冰具有光热效应不会对层次结构造成损害,并且在20次除冰循环后仍有良好的稳定性。

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图4. 太阳光照下SCS和PSCS表面霜和冰的光热融化。(A)SCS表面(A 1)和PSCS表面(A 2)霜的融化。(B)SCS表面(B 1)和PSCS表面(B 2)上的冰融化。

5. PSCS表面的自清洁特性

在实际的室外应用中,自清洁特性对于光热效率至关重要,因为污染物可以阻挡和散射阳光。由于超疏水特性,PSCS表面具有自清洁特性,可以带走沙子、纸屑和其他污染物(图5 A和B)。如图5C和D所示,当SCS和PSCS表面被沙子覆盖时,温度只能升高14.5°C。但是,PSCS表面上沙子很容易被水滴带走,温度再次升高50°C。

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图5. 粉尘对自清洁性能和温度的影响。(A和B)自清洁示意图。(C和D)PSCS自清洁前后的红外图像。

结论

作者用蜡烛烟尘制备光热防冰涂层,该涂层具有良好的机械韧性。由于太阳光在纳米/微孔结构中可以被多次反射,有效地提高了吸附性能,因此层次结构对光热性能至关重要。在融化过程中,水滴容易滚落,PSCS表面积累的霜和冰融化得快,几乎没有残留的水,因此PSCS表面具有更好的光热性能。同时,PSCS表面有自清洁能力,雨水和融化的水会滑落并清除灰尘等污染物,以防止阻挡或散射阳光,保证长期的避冰性和光热效率。PSCS表面还可以利用太阳光热效应产生的热量恢复超疏水性。PSCS在制备便宜、简单、环保、节能的防冰表面具有巨大的应用前景。

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