中国青年学者一作，最新AM：光热材料除冰研究进展

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-26 07:54

正文

面对极端寒冷天气带来的挑战，传统的主动除冰技术，如电热、机械刮除和化学剂的使用，往往存在能耗高、操作复杂以及对环境不友好的问题。近年来，以超疏水和超滑涂层为代表的被动除冰技术备受关注。尽管这些技术通过降低界面冰的粘附力取得了一定成效，但仍需依赖主动除冰技术的辅助，才能实现彻底除冰。相比之下，光热涂层凭借将太阳能高效转化为热能的独特优势，能够促进界面冰层融化，将原有的固-固（冰-基底）接触转变为液-固（水-基底）接触，从而显著降低界面粘附力，实现高效除冰。这一技术不仅摆脱了对主动除冰技术的依赖，还展现出广阔的应用前景，为应对极端天气挑战提供了可持续的创新方案。

有鉴于此，美国伊利诺伊香槟分校Nenad Miljkovic教授报道总结光热材料的三种机理、光热除冰的进展、面临的应用局限。相关论文以“A Critical Perspective on Photothermal De-Icing”为题，发表在Advanced Materials 上。

本文要点：

1.光热除冰机制

光热技术通过将太阳能转化为热能，使冰-基底的固-固接触变为水-基底的液-固接触，从而显著降低冰的附着力。本文详细介绍了三种核心光热机制：

（1）局域等离子体加热：通过金属纳米结构捕获太阳能并产生局部热效应。

（2）非辐射弛豫：半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对，通过非辐射途径释放热量。

（3）分子热振动：碳基材料吸收全光谱太阳光，诱导分子振动释放热能。

2.材料创新与性能提升

基于三种光热机理的材料选择与制备方法得到了系统阐述，不同光热机制在多种太阳光强度下的光吸收率、温升效果及除冰性能的对比研究也得到了深入展开。通过对大量文献数据的系统梳理，进一步综合比较了三种光热除冰机制的光吸收性能、核心优势、潜在局限和适用场景的异同，为不同使用环境的材料选择和机制优化提供了重要参考。

此外，光热纳米材料与微纳结构的复合设计被视为提升除冰性能的关键路径，尤其是其与超疏水、超滑、磁性等特殊表面特性的结合方式，展现出显著的协同增效效果。通过这种多功能材料的协同设计，不仅能够显著提升光捕获能力，强化能量转换效率，还能在除冰速度、能耗效率和环境适应性等方面实现显著突破。

3.实际应用与挑战

光热材料的实际应用，仍需应对一系列挑战。光热纳米材料的稳定性、耐用性以及多功能一体化设计的可行性仍然是关键难题。此外，如何确保这些复合材料在复杂环境中的高效性能表现，特别是在弱光照、间歇性光照甚至无光照的条件下，依旧是该领域研究的核心瓶颈之一。为此，探索与其他除冰技术（如相变储能和电加热）的集成应用，构建全天候、高效的协同除冰系统，已成为未来研究的重要方向。通过这种多技术的深度融合，将有望进一步推动光热除冰技术从实验室走向大规模实际应用，为交通、能源、建筑等领域提供更加可靠的技术支撑。

图文解析

图1. 与其他被动除冰技术相比，光热除冰的优势。

图2. 三种光热机理。(a) 局域离子体加热；(b) 非辐射弛豫；(c) 分子热振动。

图3光热材料与其他表面特性和除冰方式结合实现高效、全天候除冰。(a-c) 与超疏水表面特性相结合；（d-f）与超滑表面特性结合；(g-i)与相变材料结合；（j-i）与电加热方式结合。

图4 光热除冰技术推向实际应用时面临的挑战

总结展望

光热除冰技术作为应对极端天气的创新方案，展现出广阔的应用前景。未来应聚焦新材料的研发，提升光热转化效率，并建立统一的性能评估标准。随着材料科学的进步和多学科交叉的进一步融合，光热除冰技术从实验室走向实际应用的潜力将进一步释放。

参考文献

Siyan Yang, Jiazheng Liu, Muhammad Jahidul Hoque, Anxu Huang, Yiyang Chen, Wentao Yang, Jie Feng, Nenad Miljkovic*, A Critical Perspective on Photothermal De-Icing, Adv. Mater. 2024, 2415237.

DOI: 10.1002/adma.202415237

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415237

来源：高分子科学前沿

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