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前言
冰霜的积累对交通和能源基础设施（如飞机、船舶和风力发电机）的安全高效运行构成了重大威胁。尽管光热超疏水表面已成为防冰和除冰的有效解决方案，但金属基底的高导热性导致了大量的热量损失，限制了光热表面的热效率。
近日，上海交通大学王如竹教授领衔的能源-水-空气ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在期刊《Materials Today Physcis》上，发表了最新研究成果“Plasmonic photothermal superhydrophobic surface with nanotubes thermal insulating blanket for anti-icing and anti-frosting under weak light illumination”。论文第一作者为上海交通大学制冷与低温工程研究所博士生钟华美，通讯作者为王如竹教授和香承杰博士后。
研究者通过静电纺丝工艺将柔性的聚偏二氟乙烯（PVDF）结合刚性的等离子体钛氮化物（TiN）颗粒，在绝热的二氧化钛纳米管（TNT）层表面构建了包含纤维和节点的微六边形网络结构（TNT-TiN）。这种光热超疏水结构在1个太阳光强照射下，通过高太阳能吸收、等离子体共振和增强的热隔离效果，实现了显著的75.3 ℃温升。该表面表现出优异的超疏水性，即使在弱光照射（0.35个太阳光强）下，也展现出卓越的防冰和防霜性能。在-23 ℃的条件下，表面可保持无霜状态长达9小时，并能在300秒内融化冰层。此设计为交通运输、能源系统及其他关键基础设施领域的应用提供了重要的潜力。
图1. TNT-TiN设计与制备过程的示意图，包括阳极氧化、静电纺丝及氟化处理。
图2. TNT-TiN表面的制备与表征。(A) TNT的SEM图像；(B) TNT的高倍SEM图像；(C) TNT截面的SEM图像；(D) TNT截面的高倍SEM图像；(E) TNT-TiN的SEM图像；(F) TNT-TiN的高倍SEM图像；(G-H) 光热层（未经过氟化处理）(G) 和TNT-TiN (H)的水接触角（WCA）图像。
通过阳极氧化和静电纺丝制备TNT-TiN表面。SEM图像显示纳米管结构由紧密排列、开口的纳米管组成，纳米管直径约为80 nm（图2A和2B），长度为20 μm（图2C和2D），长径比超过200。在TNT-TiN的表面均匀覆盖着由叠层纳米纤维和微节点组成的蜂窝网络（图2E），形成了边长为10至40 μm的微六边形网络结构（图2F），能够捕获空气并形成气穴，从而增强表面的疏水性。因此，氟化后其表面接触角可以达到165°（图2H）。
图3. 不同样品的光热性能。(A) TNT-TiN和PT-Al的紫外-可见-近红外吸收光谱，以及太阳光谱（空气质量[AM] 1.5G；1kW·m⁻²）。(B) TNT-TiN的热阻示意图。(C) 各样品在1个太阳光强下照射25.5分钟后的温度曲线，随后自然冷却25.5分钟，环境温度为23±1 ℃。(D) 不同样品在1个太阳光强照射25.5分钟后的最终温度。(E) TNT-TiN在不同光照强度下的温度曲线，照射25.5分钟后自然冷却25.5分钟，环境温度为23±1 ℃。(F) TNT-TiN在不同角度下于1个太阳光强照射25.5分钟后的温度曲线，随后自然冷却25.5分钟，环境温度为23±1 ℃。
除了优异的超疏水性能外，TNT-TiN的致密微纳米结构有效地捕获阳光，显著提高了其光热效率。如图3A所示，吸收光谱表明，TNT-TiN在280–2500 nm范围内（太阳光谱功率较强的范围）表现出比PT-Al（25%–96%）更优异的光吸收能力（95%–100%）。为了进一步评估隔热效果，研究者使用相同的静电纺丝方法，在裸Ti和Al基底上制备了Ti-TiN和Al-TiN表面。在1个太阳光强照射下，TNT-TiN表面在25.5分钟后温度升高（ΔT）达到75.30 ℃，优于Ti-TiN（71.76 ℃）、Al-TiN（67.04 ℃）和PT-Al（67.07 ℃）（图3C和3D）。此外， Al-TiN、Ti-TiN和PT-Al表面顶部和底部之间的温差分别为2.01 ℃、3.82 ℃和0.76 ℃，而TNT-TiN则实现了显著更高的温差（8.39 ℃），这归因于TNT结构内捕获空气的低热导率。同时，研究者探究了不同光照强度下和不同倾角下TNT-TiN的光热效果（图3E和3F）。
图4. 不同样品的防冰性能。(A-D) 在环境温度为-23 ℃、0.35个太阳光强照射下，液滴（7 μL）在Ti (A)、Al (B)、PT-Al (C) 和TNT-TiN (D)表面的结冰过程。红色虚线表示冻结前沿的位置，红色圆圈中显示了霜的形成。比例尺为2 mm。
图5. 不同样品的除冰性能。(A-C) 在环境温度为-23 ℃、0.35个太阳光强照射下，水滴（10 μL）在TNT-TiN (A)、Ti (B) 和PT-Al (C) 表面的除冰过程。红色虚线表示固液界面的位置，比例尺为1 mm。(D) 在环境温度为-23 ℃、1个太阳光强照射下，TNT-TiN表面冰层（厚度5 mm）的除冰过程FLIR图像。红色“+”表示温度检测的位置，比例尺为1 cm。(E) TNT-TiN表面（标记为“★”）的融冰时间与类似研究中的结果对比（更多细节见补充信息表S2）。
图6. TNT-TiN和PT-Al表面的防霜与除霜性能。(A) 在环境温度为-23 ℃、0.35个太阳光强照射下，PT-Al表面的结霜过程；(B) TNT-TiN表面的结霜过程。(C) 在相同条件下，PT-Al表面的除霜过程；(D) TNT-TiN表面的除霜过程。比例尺为1 mm。插图显示了整个表面在结霜或除霜开始与结束时的形貌，插图中的比例尺为1 cm。
因此，即使在0.35个太阳光强照射下，TNT-TiN表面仍表现出卓越的防冰性能。在环境温度为-23 ℃时，TNT-TiN表面能够有效防止液滴结冰长达90分钟，并能够抑制霜的形成长达9小时。TNT-TiN表面卓越的光热性能与超疏水性的协同作用促进了冰霜的融化与滑落。这些实验结果验证了TNT-TiN在低光照条件下寒冷环境中的优越防冰/除冰和防霜/除霜能力。凭借其创新的结构设计和出色的性能，TNT-TiN表面在工业防冰应用中具有巨大的潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101625
王如竹教授于2018年创建了ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water& Air），致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Nature Water、Matter、ACS Central Science、ACS Energy Letters、Nature Communications、Device等国际跨学科交叉高水平期刊上发表系列论文。
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