港科大姚舒怀/黄宝陵《AFM》：太阳能纳米除冰涂层

在寒冷的冬季，高压架空输电线路上的积雪会严重威胁电力传输和通信系统的可靠性。冰层堆积造成的额外负荷可能导致电线断裂，造成大面积停电，给居民带来生活上的极大不便，甚至带来严重的灾难。绿色除冰技术能够以温和的方式有效地清除电缆上积冰或积雪，这是非常理想的，但由于电缆表面复杂，技术上具有挑战性。

近日，香港科技大学姚舒怀教授和黄宝陵副教授等人报告了一种可伸缩的太阳能热防冰纳米涂层，可兼容平坦和复杂的曲面。这种喷涂纳米涂层的组成包括作为低发射率光热介质的氮化钛纳米粒子层，以及作为低温防水层的双尺度二氧化硅颗粒。通过高效太阳能热转换和对温度不敏感的超疏水性的共同作用，纳米涂层可以在−15°C的低温下对电线进行有效的除冰/除霜。这种涂层的多功能性及其与大规模生产工艺的兼容性，使被动式太阳能驱动除冰技术有望在大多数户外暴露表面上具有实际应用。相关工作以“Solar Deicing Nanocoatings Adaptive to Overhead Power Lines”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》。

图1. 用于输电线除冰/除霜的低发射率太阳能辅助超疏水(LE-SS)纳米涂层示意图。

具体来说，研究者开发了一种低发射率的太阳能辅助超疏水(LE-SS)涂层，可以喷涂在平坦和复杂的曲面上，包括电源线电缆。优化后的LE-SS防冰涂层可获得90%的广谱阳光(0.295-2.5µm)，并将其转化为热量用于除冰。同时，在热辐射分布的中红外区(2.5 ~ 20 μ m)， LE-SS涂层几乎是透明的，保持了金属下表面的本质低发射率(2颗粒在室温和凝固点(0°C)下提供超疏水性能。LE-SS涂层电力线成功地证明了在1次太阳照射(1.0 kW m−2)下，在低至−15°C的低环境温度下，具有优异的去除积冰和霜的能力。

图2. LE-SS涂层的制备、表征和性能。

由于TiN纳米粒子在可见光区通过局部表面等离子体共振实现了强的选择性吸收，因此选择了TiN纳米粒子作为太阳吸收材料。研究者提出的基于纳米粒子的LE-SS涂层与低成本、高通量的制造工艺兼容。如图2a所示，采用超声喷涂机在平面(Al、Cu、钢、玻璃)和曲面(电源线电缆、铜管)上依次喷涂TiN纳米粒子和SiO2薄膜前驱体溶液。图2b为在0.3 × 0.3 m2的铝箔上制备的大面积LE-SS涂层。涂层呈深蓝色，表明其对可见光的吸收能力强。涂层表现出良好的超疏水性(水接触角可达≈173°，如图2c所示)，在表面上飞溅水时不会留下水滴。

如图2d所示，当仅使用80 nm SiO2纳米颗粒构建超疏水表面时，在25℃下获得较大的水接触角，为172°。然而，当表面温度下降到接近冰点(0°C)时，水接触角急剧下降到82°，表明表面发生了向亲水表面的转变。这种不需要的转变将削弱LE-SS涂层在寒冷气候中的耐冰性。为了解决这个问题，研究者将更大的500 nm的亚微米级SiO2颗粒加入到80 nm的纳米颗粒中，形成了具有微米级和纳米级纹理的分层形态。这种双尺度纹理上的水滴更容易保持Cassie状态，而不会弄湿表面。当500与80nm颗粒的质量比为1:4时，25℃下的水接触角可达173°。尽管如此，在0°C时，它仍然保持145°的大值，这比只有较小的纳米颗粒或颗粒过大的单尺度表面要高得多(图2d)。此外，如图2e所示，较大的SiO2颗粒在7.5 ~ 10µm波长范围内有显著的吸收，这是由于Si-O键的强烈振动降低了LE-SS涂层的红外透明度。

在平面Al表面上，最佳的LE-SS涂层的吸光度/发射率谱如图2f所示。它强烈吸收覆盖紫外线、可见光和近红外区域的广谱阳光，但在黑体(25°C)辐射光谱分布的宽中红外区域提供微弱的吸收。在25°C条件下，LE-SS涂层的光谱平均太阳吸收率和红外发射率分别为90%和6%。相比之下，原始铝表面的太阳吸收率和红外发射率分别为16%和1%。由于等离子体共振与Fabry-Pérot共振的协同作用，LE-SS涂层显著提高了太阳能吸收。在太阳照射下，涂层表面相对于空气温度(22℃)的温差在3 min内迅速增加，5 min后达到稳定状态(图2g)。太阳热性能(即1个太阳的温升)和超疏水性(即水接触角)是影响SS疏冰表面的两个最关键的因素。如图2h所示，LE-SS涂层在SS结构中提供了最高的1-太阳温升和最大的水接触角。

图3. LE-SS涂层与平面和曲面的相容性。

LE-SS喷涂涂层既适用于平面，也适用于曲面，以及不同的基材。除铝片外，涂层还喷涂在不锈钢、铜、银/玻璃片、铜管、铜钢瓶和电缆上(图3a-c)。同时，在所有这些表面上的LE-SS涂层提供了优越的太阳热性能，其特点是比原始金属表面的更高的稳态温度(图3e)。为了进一步验证涂层在复杂电缆表面的有效性，研究者测量了表面温度对太阳辐射的响应(图3d)。光照后，气温上升(ΔT)在前10 min迅速上升，20 min后逐渐趋于平稳。相对于气温(22°C)，稳态温度上升幅度仍然很大，在0.6-、0.8-和1个太阳照度下分别为33、39和45°C。如此高的地表温度上升表明该材料在寒冷气候中清除冰的巨大潜力。

图4. LE-SS涂层ACSR电缆的太阳能除冰性能。

为了评估LE-SS涂层的除冰性能，研究者在定制的冷冻室中对原始和LE-SS涂层的ACSR电缆进行了不同太阳强度下的除冰对比实验(图4c)。对于原始电缆，其顶表面的冰相对均匀，电缆底部有冰柱(图4b)。在1个太阳照射半小时后，电缆表面温度保持在0°C以下，冰没有融化。相比之下，对于LE-SS涂层电缆(图4a)，由于太阳热效应更强，冰/电缆界面上的冰在380秒时开始融化。然后，冰壳在580 s重力作用下向下滑动，在860 s完全滑脱，即使在缝隙中也没有残留水，电缆表面相当干燥(图4a)。LE-SS涂层电缆上的冰的快速去除归因于太阳热加热和表面的超疏水性。

图5. LE-SS涂层ACSR电缆的太阳能除霜性能。

研究者开发了一种超疏水的太阳热疏冰涂层，在中红外区域是透明的，产生了一个低发射率。该多功能涂层由作为太阳能吸收材料的氮化钛纳米粒子和作为超疏水层的双尺度SiO2粒子组成。溶液处理的涂层既能适应平面，也能适应像电线电缆这样的复杂曲面。该防冰涂层的平均太阳吸收率为90%，而红外发射率仅为6%，由于抑制了辐射热损失，在1个太阳下产生了72°C的历史最高温升。在电力线电缆上验证了该涂层的除冰除霜能力。在−15°C时，在1个太阳照射下，在860秒内成功去除电缆表面的积冰，使表面干燥无水残留。同样，涂层不仅显著减缓了结霜速度，而且能够在−15°C时快速融霜(515秒)。优越的除冰和除霜能力，可扩展的涂层工艺，以及良好的兼容性，使这种多功能涂层在现实世界的应用中具有吸引力。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113297

来源：高分子科学前沿

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