Chemical Engineering Journal：具有超疏水和等离子体增强光热转化性能的微纳米结构铝的制备及其疏冰性能

研究背景

 在气候寒冷的地区，冰、雪和霜冻等冰冻现象对居民的生活和生产产生了严重不利影响，例如阻塞交通、住房，损坏建筑、电线、飞机和风力涡轮机等。因此，需要抗冰/除冰的技术和方法来客服这些问题。现用的许多措施普遍存在着污染环境、耗能严重和效果不明显等问题。然而，构建表面具有（超）疏水性能和高效太阳能热转换的除冰材料，其可以有效地实现抗冰和主动光热除冰，并能克服以上提到的问题。但是，如何获得结构耐用、光吸收率高、长期性能稳定和制造成本低的理想除冰材料是难点。

成果简介

有鉴于对上述背景的研究，7321com必赢能源转化科研团队通过激光表面直写技术 (LSDW) 和FDTS热蒸镀方法成功制备出同时具有超疏水（润湿角161.2°）和等离激元增强光吸收（吸收率>94.5%）能力的“多功能铝”。该多功能铝还具有好的光照升温能力、冷热稳定性、非常小了临界滑动角（接近0°）和低的冰结合强度。凭借以上优异的光热转化性能，该多功能铝通过抑制冰晶的形成和长大表现出很好的抗冰能力，同时在极低温度 (-30°C) 的环境下表现出超强的光热除冰霜能力。较未处理的铝，该多功能铝的除冰霜速度能够提高4-5倍。该多功能铝的制备为依靠绿色可再生太阳能进行高效抗冰/除冰应用提供了一个可行的方案。该成果以题为“Micro/nano-cactus structured aluminium with superhydrophobicity and plasmon-enhanced photothermal trap for icephobicity”发表于Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132183）上。7321com必赢薛国斌教授、刘宏教授为文章通讯作者，博士后李宁波老师为第一作者。

图文导读

图1 光热抗冰/除冰多功能铝的制备

(a) 采用LSDW和FDTS热沉积技术制备超疏水“黑铝”的工艺流程图。(b) 原始铝的光学照片。(c) LSDW处理铝的光学照片。(d) LSDW和FDTS热沉积技术制备的大尺寸多功能铝的光学照片。

图2多功能铝表面的形貌和结构

(a) LSDW处理后Al表面的SEM形貌图。(b) LSDW处理和FDTS沉积后的多工能Al表面的SEM形貌图。(c) 多功能Al表面的EDS元素分布图。(d) LSDW处理后的Al表面微纳结构的TEM图，插入图是标记区域对应的SAED图。(e) LSDW和FDTS共同处理后铝表面微纳结构的TEM图，插入图是标记区域对应的SAED图。

图3 多功能铝的性能和吸光机理

(a) 该多功能铝表面的XRD光谱。(b) LSDW和FDTS处理前后铝表面的XPS全扫描图谱。(c) LSDW和FDTS处理前后铝表面的XPS Al 2p图谱。(d) 该多功能铝表面的XPS c 1s图谱。(e) 该多功能铝表面的XPS F 1s 图谱。(f) LSDW和FDTS处理前后铝表面的接触角 (CAs)。(g) LSDW处理Al表面粒子间距离3 nm的纳米颗粒排列模拟计算模型结构示意图和电场强度。(h) 多功能Al表面粒子间距离3 nm和1 nm厚FDTS膜的纳米颗粒排列计算模型结构示意图和电场强度。(i) LSDW处理Al表面具有0-5 nm颗粒间距离纳米颗粒排列的模拟吸收光谱。(j) 多功能Al表面具有3 nm颗粒间距和FDTS薄膜（厚度0.6-2.0 nm）的纳米颗粒排列的模拟吸收光谱。(k) LSDW和FDTS处理前后铝表面的吸收光谱（0.25-2.50 μm波长）。

图4 多功能铝的光热转换和热/冷稳定性能

(a) 多功能铝在1 sun强度照射10分钟后红外热图像。(b) 不同铝试样在1 sun光照下的温度-时间曲线。(c) 多功能铝试样在0.2-1.5 sun光照下的温度-时间曲线。(d) 多功能铝在1 sun照射和不同倾角 (θ) 下的示意图和红外图。(e) 多功能铝在1 sun不同θ (0-85°) 照射下的温升曲线。(f) 多功能铝在1 sun不同θ (0-85°) 照射下的温差结果。(g) 不同铝试样在空气中100 °C加热和-80 °C冷冻后的吸收光谱。(h) 不同铝试样在空气中100 °C加热和-80 °C冷冻后的CAs值。

图5光热抗冰性能（单水滴冰冻试验）

(a) 0.5 sun和1.0 sun照射下Al表面和环境的温度变化曲线。(b) 不同Al表面的水滴（约30 μl）在-30 °C和0.5 sun和1.0 sun照射下的光照冰冻过程。

图6 光热除冰性能（单水滴冰冻试验）

(a) 不同铝试样在1 sun光照（左侧）和多功能Al在0.2-1.5 sun光照（右侧）下的温度-时间曲线。(b) 1 sun光照下不同Al表面冻结水滴融化过程的瞬时照片，绿色和红色矩形标记分别代表冰融化的开始和结束。(c) 0.2-1.5 sun光照下多功能Al表面冻结水滴融化过程的瞬时照片，绿色和红色矩形标记分别代表冰融化的开始和结束。

图7 冰结合强度和倾斜光照除冰性能

(a) 冰结合强度试验过程示意图。(b) -10至-30 °C温度下不同铝试样表面的冰结合强度结果。(c) 多功能Al在20°倾角和-30 °C条件下经1 sun照射时表面温度变化变化曲线。(d) 多功能Al在20°倾角和-30 °C条件下经1 sun照射时冰滴滑落过程的代表性瞬态快照。

图8 光热除霜层和冰层能力（模拟现实应用）

(a) 不同Al试样在1 sun光照下融化霜层（1 mm厚，左侧）和冰层（重0.5 g，右侧）的温度-时间曲线。(b) 不同Al试样在1 sun光照下融化霜层过程的瞬时照片。(c) 不同Al试样在1 sun光照下融化冰层过程的瞬时照片。

结论与展望

综上所述，本研究基于LSDW和FDTS热沉积两步法，设计并制备了具有优异光热转化能力和抗冰与除冰能力的多功能铝。经过Ar气氛保护下LSDW处理后，Al表面生成了仙人球状微纳多级复合的结构，此结构中金属自由电子和光子之间具有等离激元效应，表现出超强的太阳光吸收能力。表面经FDTS热沉积后，制备的“黑铝”具有了超疏水能力 (CA = 161.2°)，并且其光吸收能力得到了提高，全光谱太阳吸收率可达到94.5%以上（可见光谱范围> 96%）。制备的超疏水“黑铝”具有快速光照升温的能力，在100 °C的高温和-80 °C的超低温条件下具有优异的热稳定和冷稳定性能，还具有良好的自清洁能力。该多功能铝最终通过抑制冰晶的成核和生长，表现出优异的低温抗冰能力，并在超低温条件下（-30 °C）表现出快速的光热除霜层和冰层的能力。此多功能铝的制备为依靠绿色可再生太阳能进行高效抗冰/除冰应用提供了可行的方案。