研究背景
随着全球气候变化的加剧，冰雪天气对人类基础设施的影响日益严重。结冰现象不仅会导致飞机停飞、电网瘫痪，还会影响太阳能板和风力涡轮机的正常运行，造成巨大的经济损失和安全隐患。传统的除冰方法，如化学防冰、机械除冰和电热除冰，往往能耗高、效率低且对环境不友好。因此，开发新型的抗冰/除冰技术成为材料科学领域的一个热点问题。近年来，超疏水表面因其独特的表面性质，展现出在延迟冰的形成和促进冰自然脱落方面的潜力，被认为是一种有前景的解决方案。然而，在冰点以下的温度下，仅靠超疏水性有时并不足以去除冰雪。因此，研究人员开始探索将超疏水表面与其他主动除冰方法相结合，以实现更高效的抗冰/除冰效果。
成果简介
在这项研究中，研究人员提出了一种基于光热-风协同效应的高效能量利用策略，结合超疏水性，用于抗冰/除冰。他们利用飞秒激光直写技术一步法在聚醚醚酮（PEEK）表面构建了光热超疏水微/纳米结构。优化的制备条件是激光处理速度为80 mm/s（LT-V80），得到的表面具有高水接触角（约160.9°）和低滚动角（约3°），展现出优异的自洁性能。此外，LT-V80显示出高光吸收率（约94.6%），在1.0 sun照射下表面温度可升高44.5°C。当系统中加入风时，与光热和超疏水性质协同作用，除冰时间减少了87.1%，结冰时间增加了220.3%。这一策略在寒冷的室外环境中也显示出良好的除冰效率。通过LT-V80展示的高效太阳能利用策略表明，使用简单、环保、低成本的制造方法实现高效抗冰/除冰是可能的。
图文导读
图1 使用一步法飞秒激光直写技术制备LT-V80的示意图。展示了在PEEK基底上使用不同激光扫描速度制备激光处理表面的示意图，以及光热-风-超疏水性协同效应下的抗冰/除冰系统。
图2：LT-V80表面的SEM图像、3D表面形貌和截面轮廓图像、拉曼光谱、EDS谱和元素分布、红外吸收光谱和FTIR光谱。
图3：不同激光处理参数下样品的水接触角和滚动角、不同液体在LT-V80表面的接触角、水滴撞击LT-V80表面的照片和COMSOL模拟、水滴在LT-V80表面滚动的照片、LT-V80表面的自洁过程、LT-V80的热耐久性实验、LT-V80在水中洗涤的耐久性测试、LT-V80表面在空气中放置9周后的平均水接触角
图4：PEEK和LT-V80表面在强光照射下的照片、不同样品的光吸收率、LT-V80与先前报道的光热转换材料的吸收率比较、LT-V80表面光吸收的示意图、COMSOL模拟的光吸收和电场分布、PEEK和LT-V80表面光热性能测试的示意图、PEEK和LT-V80表面的红外温度图像、LT-V80和PEEK在1.0 sun下的表面温度变化曲线、LT-V80表面在不同光强下的温度变化曲线、LT-V80在2.0 sun下的光热循环耐久性测试、LT-V80在不同风速下的表面温度。
图5：光热-风协同效应下LT-V80表面抗冰/除冰能力的实验场景示意图、LT-V80表面在不同条件下的除冰时间、LT-V80与先前报道的光热除冰材料的综合除冰能力比较、冰融化过程的光学图像、水滴结冰过程的光学图像、室外除冰实验场景的光学照片和红外温度图像、不同条件下结冰过程的COMSOL模拟、室外冰融化过程的光学图像。
小结
研究人员通过飞秒激光直写技术一步法制备了多孔微/纳米结构的激光诱导石墨烯，提出了一种基于光热-风协同效应的高效能量利用策略，用于抗冰/除冰。所制备的样品具有94.6%的高光吸收率和160.9°的水接触角。此外，风通过热对流加速冰的融化并延迟水的冻结，同时风还可以使水或冰水混合物从表面滚落。与未经风辅助的原始PEEK相比，除冰时间减少了87.1%，抗冰时间增加了220.3%。得益于上述因素，优化样品LT-V80在寒冷的室外环境中也展现出高效的除冰能力。本研究提出的基于光热超疏水材料的光热-风协同策略为抗冰/除冰提供了新的解决方案。
文献：https://doi.org/10.1039/D4TA06520D
本文来自材料研究进展，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
