賀曦敏/朱新遠《PNAS》:蠟燭煙灰高效除冰法! 零下50°不結冰! 光熱去冰自清潔!

結冰可能會破壞人類活動,甚至造成人類生命危險,是日常生活的常見問題。例如,結冰和積冰會導致車輛和飛機的機械故障;風力渦輪機、住宅和電力線的結構損壞;滑倒事故和交通碰撞。傳統的防冰策略包括加熱、化學和機械除冰。但這些方法都受到能源密集、效率低和環境不友好的困擾。以光熱效應防冰因無需添加有害化學物質而具有環境友好性。近年來,人們發現等離子體、磁性粒子和碳納米材料可用於光熱表面,利用光能/太陽能產生熱量並融化積冰。然而,這也存在著許多局限性和挑戰,如材料昂貴、難以制造;融化的水在沒有連續光照時會再次凍結;灰塵等污染物會阻擋陽光,導致太陽能利用效率低下。因此,利用光熱效應和超疏水性,開發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,加利福尼亞大學賀曦敏教授與上海交通大學大學朱新遠教授合作以Superhydrophobic photothermal icephobic surfaces based on candle soot為題發表於PNAS期刊上,作者認為蠟燭煙塵因其在結構和物理上的特點可用於制造這種多功能表面。在結構上,不完全燃燒使蠟燭煙塵擁有近乎完美的層次結構,這種結構使沉積在基底上的煙塵成為理想的超耐熱塗層。在物理上,黑色使其具有極好的光熱轉換效果。此外,其超疏水性還可能進一步改善光熱性能:一是熔融水能從蠟燭煙灰表面能立即流出去除,從而避免瞭因熔融水的反射率和熱質量,這可大大降低熱損失。其次,灰塵和其他污染物很容易被融化的水或雨水沖刷,從而防止陽光的阻擋和散射,從而有利於保持長期的高光熱效率。作者基於蠟燭煙灰的特性,將其應構建成一種廉價高效的超疏水光熱塗層,它能夠去除冷凝液滴、霜和冰,並大大降低瞭凍結溫度。這種高性能防冰表面具有自清潔、光照自愈和高耐久性等特點。

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【結果與討論】

1. PSCS的制作過程

通過將破片放置在蠟燭火焰上方,蠟燭煙塵很容易沉積在玻璃載玻片上(圖1A)。為瞭加強蠟燭煙塵層(CS)層,並使塗層更堅固,作者通過四乙氧基矽烷(TEOS)的化學氣相沉積(CVD)在煙塵顆粒(SCS)上塗覆二氧化矽外殼。最後,在紫外光下將聚二甲基矽氧烷(PDMS)刷塗到二氧化矽外殼上。因此,塗層(PSCS)由CS顆粒、二氧化矽外殼和PDMS刷子三部分組成(圖1B)。CS粒子在陽光照射下產生熱量,二氧化矽外殼增強塗層,PDMS刷子賦予塗層超疏水性。PSCS表面具有光熱和超憎水兩種性質:當被太陽光照射時,積冰可以通過光熱效應從煙灰層產生的熱量中融化,同時由於超憎水頂層,融化的水很容易滾落(圖1C和D)。

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圖1. PSCS表面的制造工藝示意圖。在蠟燭火焰上方的玻璃載玻片上沉積蠟燭煙塵(A),隨後,塗上二氧化矽外殼和PDMS刷子(B)。(C)防冰表面的工作機理。在太陽光的照射下,由於光熱效應(C2)產生的熱量,表面(C1)上積聚的冰可以融化,而融化的水可以在傾斜表面(C3)上滾落。(D)PSCS的層次結構。

2. PSCS表面的疏水性

當玻片保持在蠟燭火焰上方時,它充當火焰和氧氣之間的屏障,導致不完全燃燒並生成碳納米顆粒。這些碳納米顆粒凝結並凝聚形成CS層。該層由直徑為30–40nm的互連碳顆粒組成(圖2A1和A2)。由於碳的低表面能,CS層是超疏水的。水滴在CS表面的靜態接觸角為161±1°(圖2A3)。包裹在煤煙顆粒周圍的二氧化矽形成瞭很強的顆粒間結合,這增強瞭裸露煤煙塗層的穩定性和堅固性(圖2B2)。由於二氧化矽的親水性,SCS層不是疏水的(圖2B3)。接枝PDMS後,在二氧化矽的基本形貌保持不變(圖2C1)。SEM顯示粒子間的邊緣變光滑,表明PDMS成功地接枝到二氧化矽上(圖2C2)。在PDMS刷面上,接觸角增加到163±1°(圖2C3),同時水滴在小於5°的滑動角下很容易滾走。

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圖2. 表面形貌和潤濕性。(A 1和A 2)CS層的SEM圖像。(A 3)CS表面的水接觸角。(B 1和B 2)SCS的SEM圖像。(B 3)SCS表面的水接觸角。(C 1和C 2)PSCS的SEM圖像。(C 3)PSCS表面的水接觸角。

3. PSCS與SCS的光熱效應

CS的厚度可通過改變沉積時間調節CS。厚度分別為1.5、5.1和30.0μm的煤煙層的橫截面都是均勻的多孔結構(圖3 A-C)。隨著光照時間和煙塵層厚度的增加,塗層的溫升(ΔT)大大增加,300秒後達到50°C的最大值(圖3D),當厚度大於10μm時,ΔT不再增加。這一極限可能是由太陽光穿透深度決定的。在照射後,CS、SCS和PSCS的△T分別為53.3、53.2和53.3°C,分別表明二氧化矽外殼和PDMS對光熱效率影響不大(圖3E)。此外,隨著光強度從0.5太陽增加到1太陽和1.5太陽,ΔT從20℃增加到53℃和73℃(圖3F)。紅外圖像也表明PSCS的溫度在整個表面上是均勻的。由於CS表面具有納米級尺寸,該尺寸小於太陽光的波長,可有效的吸收光,光在層次結構中多次內部反射,直到完全吸收。

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圖3. 沉積CS層的光熱特性。厚度分別為1.5μm(A)、5.1μm(B)和30μm(C)的CS的橫截面SEM圖像。(D)不同厚度的CS在一個太陽下的溫升(ΔT)。(E)CS、SCS和PSCS的溫升(ΔT)。(F)分別在0.5太陽(F 1)、1.0太陽(F 2)和1.5太陽(F 3)下的PSCS紅外圖像。

4. PSCS和SCS對冰和霜的融化能力

與致密透明的大塊冰相比,霜具有多孔性和分形性,對陽光的反射和散射能力更強,利用陽光融化霜具有挑戰性。作者系統地研究瞭SCS和PSCS分別在陽光照射下融化霜和冰的能力。在PSCS表面,霜在被照射60秒後開始融化,融化的水在表面形成水滴(圖4A1), 這一過程在SCS表面則需240秒(圖4A2)。此外,熔化的水留在在SCS表面上,而PSCS表面幾乎沒有水,少量殘餘熔化水膨脹成微小的液滴,很容易從表面滾落到平臺。在720秒內,PSCS表面的冰全部融化,水很容易滑落(圖4B1),但還有一部分冰在SCS表面(圖4B2)。剩餘的熔融水在SCS表面降低瞭光熱效率,相比之下, PSCS表面無殘留熔融水,其表面溫度迅速升高,比SCS表面溫度高出近10倍。與機械除冰方法相比,融冰具有光熱效應不會對層次結構造成損害,並且在20次除冰循環後仍有良好的穩定性。

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圖4. 太陽光照下SCS和PSCS表面霜和冰的光熱融化。(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表面的自清潔特性

在實際的室外應用中,自清潔特性對於光熱效率至關重要,因為污染物可以阻擋和散射陽光。由於超疏水特性,PSCS表面具有自清潔特性,可以帶走沙子、紙屑和其他污染物(圖5 A和B)。如圖5C和D所示,當SCS和PSCS表面被沙子覆蓋時,溫度隻能升高14.5°C。但是,PSCS表面上沙子很容易被水滴帶走,溫度再次升高50°C。

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圖5. 粉塵對自清潔性能和溫度的影響。(A和B)自清潔示意圖。(C和D)PSCS自清潔前後的紅外圖像。

【結論】

作者用蠟燭煙塵制備光熱防冰塗層,該塗層具有良好的機械韌性。由於太陽光在納米/微孔結構中可以被多次反射,有效地提高瞭吸附性能,因此層次結構對光熱性能至關重要。在融化過程中,水滴容易滾落,PSCS表面積累的霜和冰融化得快,幾乎沒有殘留的水,因此PSCS表面具有更好的光熱性能。同時,PSCS表面有自清潔能力,雨水和融化的水會滑落並清除灰塵等污染物,以防止阻擋或散射陽光,保證長期的避冰性和光熱效率。PSCS表面還可以利用太陽光熱效應產生的熱量恢復超疏水性。PSCS在制備便宜、簡單、環保、節能的防冰表面具有巨大的應用前景。

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