香港科技大學團隊開發出低至-60℃環境防冰的超疏水選擇性光熱表面

WaterOff

2022-08-10 09:45:56

寒冷環境下，冰和霜易凝結于飛機機翼、火車軌道、高壓電線等處，造成了巨大的安全隱患。因此，如何有效阻止或者延遲冰在低溫表面上的成核和生長成為亟待解決的問題。傳統的機械振動除冰、化學除冰和電加熱除冰不但與可持續發展的世界主題相悖，而且除冰過程容易破壞表面。近些年隨著材料科學的發展，研究人員利用防凍蛋白、表面疏水處理或添加潤滑層等方法成功提高了表面的防結冰或除冰能力。但是，這些表面制備方法復雜，成本高昂，并在極端低溫條件下易失效，這些缺點限制了它們在實際生產中的應用。

為了解決上述問題，香港科技大學團隊合作開發了一種低成本高效率的太陽能光熱防冰融冰超疏水表面，成功實現了低至零下60攝氏度超低溫下的防冰。該表面通過化學刻蝕法及溶液旋涂法制備，將氮化鈦（TiN）光熱納米顆粒鑲嵌在具有微納結構的鋁表面上，同時實現了三種效力：其一，微納結構及光熱納米顆粒的協同效應提高了表面的光捕捉效率，其二，通過合理的控制微納結構的尺度和納米粒子的厚度，得到了低紅外發射率表面并極大地降低了輻射熱損失，其三，改性處理后表面具有超疏水性（圖1）。

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圖1. 超疏水-選擇性光熱表面原理

為了實現高光熱轉換效率，表面需要在提高太陽能吸收率的同時減小熱損失。作者在之前工作中制備了基于TiN納米顆粒的具有光譜選擇性的太陽能吸熱涂層（selective solar absorber，SSA），實現了在0.3-2.5 μm太陽光譜高吸收率，>2.5 μm中紅外波段低發射率，獲得了遠高于其他無選擇性黑體的光熱效率（圖2）。但此處為了實現超低溫下防冰，表面需要同時滿足高太陽能吸收率、光譜選擇性和超疏水性三個特性。作者通過控制化學刻蝕和顆粒涂覆工藝以優化微納米結構的形貌成功實現了上述目標。表面的疏水性、選擇性受刻蝕時間的具體影響：當刻蝕時間過短，微納表面易被光熱粒子覆蓋失去超疏水性；刻蝕時間過長會導致表面孔隙過大，增強中紅外光的吸收，從而失去選擇性（如SHB）。作者在優化工藝后得到了接觸角約為162°，滾動角約為5°，光熱轉化效率71%的選擇性超疏水光熱表面（SHSSA）。優化后的表面光譜如圖2所示，盡管超疏水非選擇性光熱表面（SHB）有著最高的太陽光吸收率，但高達96%的發射率降低了總的光熱轉換效率。在一個標準太陽光下，選擇性超疏水光熱表面（SHSSA）的溫升達到了61 ℃，高于非選擇性超疏水光熱表面（SHB）的52 ℃。

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圖2. SHSSA, SHB 及SSA表面表征

得益于選擇性吸收光熱表面的高光熱轉換效率，本文首次成功實現了在低至-60 ℃的極寒環境下的防冰。在環境及底面溫度均達到熱平衡后1000 s，液滴依然未完全結冰（圖3）。

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圖3. -60℃下的防結冰實驗

在除冰和除霜實驗中，對比未作疏水處理的選擇性光熱表面（SSA），疏水選擇性光熱表面（SHSSA）能夠在融化底部冰或霜后形成空氣層，幫助未融化的冰或霜快速滑落（圖4-5）。這種除冰除霜方式不但節省了時間，同時避免了融化后的水殘留在表面繼續吸收熱量或再次結冰。同時作者展示了光熱效應融霜融冰不會對表面微納結構產生破壞，SHSSA在多次除冰循環后疏水效果和光熱效果均未受影響。

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圖4. 標準太陽光下的除冰實驗

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圖5. 標準太陽光下的除霜實驗

綜上所述，本文通過調節微納米結構，得到了具有超疏水和光譜選擇性的光熱防冰表面。相比于非選擇性的超疏水光熱表面，在標準太陽光下表面溫度顯著提升，因此實現了在極寒冷條件下防止液滴結冰。此外，得益于超疏水特性，底面的冰或霜被融化后形成空氣層，使上層未融化的冰霜滑落，同時在多次重復結冰融冰循環后展現了良好的穩定性。此外，SHSSA為全溶液法制備，成本低，可大規模制造，為極度寒冷條件下防冰除冰提供了高性價比且可靠的選擇。

相關論文發表在Cell Reports Physical Science 上，香港科技大學博士生馬維和博士后李洋為文章的共同第一作者，香港科技大學姚舒懷教授、李威宏研究助理教授及黃寶陵副教授為共同通訊作者。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

Solar-assisted icephobicity down to -60°C with superhydrophobic selective surfaces

Wei Ma, Yang Li, Christopher Y.H. Chao, Chi Yan Tso, Baoling Huang, Weihong Li, Shuhuai Yao

Cell Rep. Phys. Sci., 2021, 2, 100384, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100384

導師介紹

姚舒懷，香港科技大學機械與航空航天工程系教授。姚教授于2000年在清華大學獲得學士學位，并分別于2001年和2005年在斯坦福大學獲得碩士和博士學位。此后在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室做博士后研究。于2008年起就職于香港科技大學。研究領域為相變傳熱及微流控芯片。在相關領域發表SCI論文100余篇，包括以通訊作者發表在Nature Physics, Physical Review Letters, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Nano Letters, Advanced Science等。

黃寶陵，香港科技大學機械與航空航天工程系副教授。黃教授于分別于1999年和2001年在清華大學獲得學士和碩士學位。2004年赴美國密歇根大學安娜堡分校深造，并于2008年獲得博士學位。此后在加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室做博士后研究。于2010年起就職于香港科技大學。研究領域是微尺度傳熱傳質，光熱利用以及固態能源存儲，在相關領域發表SCI論文80余篇，包括以通訊作者發表在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Nano Energy, Nano Letters, Physical Review B 等。

李威宏，香港科技大學機械與航空航天工程系研究助理教授。李教授分別于2013年和2018年獲得清華大學學士和博士學位。2018年赴英國格拉斯哥大學擔任研究員。于2019年起就職于香港科技大學。研究領域是微納相變傳熱與航空航天熱管理技術，在相關領域發表SCI論文30篇，包含以通訊作者發表在Cell Reports Physical Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, Journal of Heat Transfer, Journal of Turbomachinery 等。