成果简介
防冰/除冰一直是现代工业的焦点问题。本文，北京理工大学姚寅副教授、陈少华 教授等在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“High-Efficient Anti-Icing/Deicing Method Based on Graphene Foams”的论文，研究制备了一种基于石墨烯泡沫（GF）的新型防冰/除冰材料，它集电热转换、光热转换和超疏水等多种功能于一体。石墨烯泡沫板作为底层粘结在受保护的基底上，基底上覆盖着一层填充有 TiN 和 SiO2 纳米颗粒的聚合物复合涂层。通过电加热和光加热实验来研究这种基于 GF 的材料的防冰/除冰性能。
实验发现，在电场的独特作用下，只需1V的电压就能在 400s内将表面温度从零下几十度提高到零上，这比之前需要 10 V 以上电压才能达到同样的防冻效果要低得多。将外加电压稍稍提高到 1.5 伏，甚至可以在 200 秒内将表面温度从室温显著提高到150摄氏度以上，而现有的电加热技术则需要几十伏的电压才能达到约 100 摄氏度的峰值温度。这种性能使基于 GF 的材料能够实现 90% 以上的出色电热能量转换率。此外，除了电力之外，借助太阳光照明，不仅可以降低防止结冰的临界电压，而且与仅在电场或光场条件下的除冰/除霜性能相比，可以更快、更充分地清除表面的冰或霜。所有这些结果表明，本方法具有能源利用效率高、普遍适用于黑暗和阳光环境等明显优势，尤其适用于为工业设备的关键部件提供低成本的结冰保护。
图文导读
图1、由GF底层和顶部复合涂层组成的本防冰/除冰材料的制备流程图
图2.GFP 和 GFPC-15% 样品的表面分析
图3.GFP和GFPC样品的表面润湿性
图4.电性能和电热转换性能
图5.不同外场下GFP和GFPC-15%样品水滴结冰过程.
图6.GFPC-15%样品的除冰和除霜性能
小结
本文开发了一种基于具有连续导电网络结构的石墨烯泡沫（GF）的新型防冰/除冰方法，将GF片材与TiN和SiO2纳米颗粒填充的复合涂层组装在一起，实现了集电热转换、光热转换和超疏水功能于一体的先进材料。系统实验研究表明，本材料只需施加约 1 V 的电压，就能实现表面温度的显著升高和高效的防冰/除冰性能，加热过程中的电热能量转换率可达 90% 以上。固体表面解冻所需的电压远低于现有的电加热方法，在阳光照明的辅助作用下，电压还可进一步降低。在除冰/解冻过程中，电场和光场的共同作用可以更快、更充分地清除表面的冰/霜。因此，本方法不仅具有能源利用效率高的突出优点，而且在白天、夜间、寒冷和潮湿的条件下都具有广泛的适用性，这对于保护工程设备的关键部件免受冻结尤为重要。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c09360
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