成果简介
具有光热和电热效应的多功能材料在解决结冰问题方面受到了广泛关注。虽然在防冰/除冰领域取得了很大进展，但由于电热性能低、制造方法复杂、耐久性差等原因，限制了其广泛应用。本文，中南大学银恺教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Multiscale hybrid-structured femtosecond laser-induced graphene with outstanding photo-electro-thermal effects for all-day anti-icing/deicing”的论文，研究利用飞秒激光直写技术在环境空气中在聚酰亚胺（PI）基底上制备了多尺度混合结构的飞秒激光诱导石墨烯（FsLIG），并将其应用于全天候防冰/除冰。
在优化的激光扫描速度下，制备的表面在 220-1400 纳米范围内表现出高光吸收率（∼98.5%）和低薄片电阻（∼18.2 Ω sq-1），从而使 FsLIG 表面具有出色的光电热效应。在 1.0 太阳光照或 4 V 的外加电压下，表面平均温度可在 30 秒内升至 ∼69.3 °C或 ∼193.1 °C。FsLIG 表面在阳光照射或1太阳或2V 的外加电压下可实现防冰和除冰。本研究开发的光电热材料及其简单的制备方法可能在防冰/除冰领域具有广阔的应用前景。
图文导读
图1.（a） 飞秒激光直写技术制备的FsLIG示意图。（b） 基于FsLIG光热和电热效应的全天高效防冰/除冰系统概念示意图。
图2. (a-c) 不同放大倍数下 FsLIG-60 表面的扫描电镜图像。(d) FsLIG-60 表面的 LCM 图像和横截面剖面图。(e) FsLIG-60 表面的 EDS 光谱以及 C 和 O 的元素映射。(f) 原始 PI 和 FsLIG-60 表面的 XPS 光谱。(g、h）原始 PI 和 FsLIG-60 表面的高分辨率 XPS O 1s 光谱对比。(i) 原始 PI 和 FsLIG-60 表面的傅立叶变换红外光谱。(j) 原始 PI 和 FsLIG-60 表面的 XRD 图。(k) 原始 PI 和 FsLIG-60 表面的拉曼光谱。
图3. (a) 原始 PI、FsLIG-60、FsLIG-120 和 FsLIG-180 在 220-1400 纳米波长范围内的吸收率。(b) FsLIG-60 的高光吸收理论机制示意图。(c) FsLIG-60 的高光吸收率与之前报道的光热转换材料的比较。(d) 光热转换性能测试图。(e) FsLIG-60 分别在 0.5、1.0、1.5 和 2.0 阳光下的平均表面温度曲线。(f) 原始 PI、FsLIG-60、FsLIG-120 和 FsLIG-180 表面分别在 0.5、1.0、1.5 和 2.0 阳光下照射 180 秒后的温度变化。(g) FsLIG-60 在太阳光照值为 1.0 时长期暴露的平均表面温度曲线。
图4. (a) 平行和垂直于激光扫描方向的薄层电阻与激光扫描速度的函数关系。(b) 电热转换性能测试图。(c) FsLIG-60 在 1、2、3 和 4 V 电压下的平均表面温度曲线。(d) FsLIG-60 在 1 V 至 4 V 梯度变化电压下的平均表面温度曲线。(f) 从加热效率方面比较 FsLIG-60 与其他已报道的碳基电加热器的电热性能。(g) 原始 PI、FsLIG-60、FsLIG-120 和 FsLIG-180 表面在施加 1、2、3 和 4 伏电压 120 秒后的温度变化。
图5. (a-c) 通过光热、光电热和电热效应进行全天候防冰/除冰的示意图。(d) 抗冰测试期间水滴的光学照片。(e) FsLIG-60表面在各种条件下的防冰效果。(f) 除冰性能测试系统的光学照片。(g) 除冰测试期间融冰过程的光学照片。(h) FsLIG-60表面在各种条件下的融冰时间。(i) 20个测试周期中 FsLIG-60 表面的融冰时间。插图显示了 FsLIG-60 表面在20个光热除冰周期后的光学照片。(j) FsLIG-60表面在空气中放置20天的融冰时间。
小结
综上所述，我们通过飞秒激光直写技术在环境空气中制备出了具有优异光电热效应的多尺度混合结构FsLIG，可用于全天候防冰/除冰。我们通过调整激光扫描速度对 FsLIG 表面进行了优化，得到的 FsLIG-60 表面在 220-1400 纳米范围内具有高达 98.5% 的光吸收率和 18.2 Ω sq-1 的低薄片电阻。获得的 FsLIG-60 还表现出理想的光热转换和电热加热性能。例如，在 1.0 太阳光照射下，FsLIG-60 的平均表面温度在 30 秒内升高至 69.3 °C；在 4 V 电压下，平均表面温度升高至193.1 °C。本研究介绍的方法和材料可为全天候防冰/除冰应用中光-电-热材料制造的进步提供有价值的指导。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118824
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