重大：多尺度微納分層結構的光熱陷阱強化光吸收促進防/除冰應用

成果簡介

太陽能作為一種清潔、豐富的可再生能源，推動太陽能向各個行業的應用有利於向低碳經濟的轉型且有助於解決日益嚴重的能源短缺問題。光熱材料透過光熱效應將太陽能轉換為熱能，在寒冷條件下保持裝置表面溫度在凍結溫度以上，融化/延緩裝置表面霜/冰的形成，是一種利用太陽能進行除冰的新方法，有望解決戶外裝置表面積冰問題。碳基光熱材料具有成本低、吸光範圍廣、光熱轉換效率高、材料來源豐富等優點，具有巨大的應用潛力。然而現有關於碳基材料的應用僅侷限於其固有的黑色特性，如何透過表面形貌調控使其在有限空間內產生更多熱量的相關研究並不充分。此外，實際工業應用對材料的機械耐久性和化學穩定性具有較高的要求，且表面通常會覆蓋有冰層，因此現有單液滴的防/除冰實驗並不能足以表徵材料的防/除冰效能。

本文，重慶大學能源與動力工程學院工程熱物理研究所王宏、陳蓉教授為論文的通訊作者，博士研究生謝震廷為論文的第一作者在《ChemicalEngineering Journal》期刊發表名為“Photothermaltrap with multi-scale micro-nano hierarchical structure enhances lightabsorption and promote photothermal anti-icing/deicing”的論文，研究利用模板-噴塗法制備出一種由基底、碳基光吸收層和封裝層組成的光熱防/除冰材料。由於光陷效應，多尺度微奈米複合層次結構可以在有限空間內強化材料的吸光率，200~2000 nm波長範圍的平均光吸收率可達~98%，也透過光線追蹤模擬和紫外-可見-近紅外光吸收率測試結果對其進行驗證。

在室溫(Tr=25 ℃)/1個太陽(100 mW/cm2)光照條件下，表面平均溫度可升高至~85 ℃，光熱轉換效率高達61%。優異的光熱轉換效能賦予材料光熱除冰的效能，100 mW/cm2光照300 s後，表面覆蓋的霜/冰層可融化並脫離壁面。此外，防結冰實驗表明，製備的材料具有較低的凍結溫度(-25.20±1.34℃)、較長的結冰延遲時間(774.76±114.19s)，也根據實驗結果建立了結冰過程中的熱力學分析模型。表面摩擦、水流衝擊和溶液浸泡試驗表明，製備的材料具有優良的機械耐久性和化學穩定性。本研究製備材料方法簡單，機械耐久性強，光熱防/除冰效能優異，在戶外裝置上具有巨大的應用潛力。

圖文導讀

圖1. 碳基光熱防/除冰材料的製備流程示意圖.

圖2. PS、MS、MNS、P@MNS樣品的三維形貌圖

圖3. PS、MS、MNS、P@MNS樣品的光吸收效能

圖4. PS、MS、MNS、P@MNS樣品的光熱轉換效能

圖5. P@MNS和Al表面在陽光照射和無光照條件下的防結冰效能

圖6. P@MNS、PDMS和Al表面在1個太陽光照條件下的除冰效能

圖7. P@MNS樣品的機械耐久性與化學穩定性測試

小結

本研究採用一種簡單、成本低、易於控制的模板-噴塗法，成功製備了由基底層、光吸收層和封裝層組成的光熱防/除冰材料(P@MNS)。得益於多尺度微納複合分層結構和多層結構的組合，製備的材料具有優異的效能。實驗結果表明，材料具有優異的光熱轉換、防結冰及光熱除冰效能，光熱轉換效率高達61%，也提出光熱防/除冰材料在防/除冰過程中的熱力學分析模型。利用光線追蹤模擬軟體和紫外-可見-近紅外光吸收率測試結果明晰微納結構強化光吸收的機理。摩擦、水流衝擊和溶液浸泡試驗也表明，該材料具有優異的機械耐久性和化學穩定性。該研究工作為設計高光熱轉換效率的防/除冰材料提供了新的見解。

文獻：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135025