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  近日，陜西科技大學王成兵教授/師晶副教授團隊在國際知名期刊Chemical Engineering Journal（IF=15.1）發表了題為“Recent advances in photothermal anti-/de-icing materials”的綜述文章。

  以太陽能為基礎的能源轉換和儲能技術為解決人類能源短缺提供了巨大的希望，也是實現“碳達峰、碳中和”的最有效手段之一。其中，太陽能光熱防/除冰材料（PA/DIMs）在航空、電力、建筑、運輸等領域有重大應用前景，也是近年最為先進的研究熱點之一。該綜述對先進的光熱轉換材料及其光熱轉換機理、性能評價、工程應用、進行了全面回顧（圖1），并總結了該領域未來面臨的挑戰，為光熱防/除冰材料的設計提供有價值的見解。 

圖1. 光熱防/除冰材料及其光熱轉換機理、性能評價、工程應用概述

1. 光熱防/除冰材料的光熱轉換和防/除冰機理

  光熱除冰是一個復雜過程，包括光吸收、光熱轉換、熱傳導、融冰等幾個步驟。一般來說，理想的光熱轉換候選材料應該在整個太陽光譜范圍內吸收太能光，并將光能有效地轉化為熱能，而不進行任何能量轉換或熱輻射。目前，光熱防/除冰材料的光熱轉換機制包括：（1）等離子激元限域加熱，即材料中局域電子的固有頻率與入射光光子頻率相匹配時，兩者之間發生的等離子激元共振；（2）電子空穴生成-弛豫加熱，材料中的電子和入射光光子相互作用時，電子通過能級躍遷至高能態來吸收光子能量，這些高能態電子通過二次輻射或弛豫至初始態來釋放能量；（3）分子熱振動加熱，即依賴于材料固有的π-π*的激發和弛豫來產生和釋放能量。

  除了高效的光熱轉換性能之外，材料表面通過形貌特征設計也能達到防/除冰性能的目的。首先，具有高水接觸角(> 150℃)和小滾轉角(< 10℃)的超疏水表面易于水滴滑/滾動。在結冰前和結冰期間，超疏水表面能夠通過減小液滴與基體的接觸面積和增加形核能壘抑制非均相成核（圖2a），從而增加結冰時間。其次，在結冰后，具有疏冰特性的液體注入表面能最大限度地顯效冰與材料表面的粘附。第三，表面粗糙度引起的超疏水性用于設計疏冰或防冰涂層（圖2b-e），但是這一條件成立的前提是材料表面水和冰具有相同的黏附機理。事實上，接觸角決定了水的黏附，而接觸角和固固界面的初始裂紋尺寸共同決定了冰的黏附強度（圖2f）。因此，材料的疏水特性與疏冰特性并非充分必要關系。 

圖2. 光熱防/除冰表面形核機制（a）、材料形貌特征和結構設計（b-e）、疏水-疏冰機理（f）。

2. 光熱防/除冰材料的性能評價

  針對光熱防/除冰材料性能對評估方法的敏感性，綜述了近年來光熱防/除冰材料性能評價的研究進展，從測量技術，包括冰黏附強度、延遲結冰時間、機械耐久性和物理化學穩定性四個方面進行了詳細討論。

3. 光熱防/除冰材料的最新進展及應用

此外，本文介紹了光熱防/除冰材料在飛行器（飛機機翼、飛機蒙皮等）、電力設備（電線電纜、葉片、絕緣體）、建筑（建筑物窗戶/屋頂、路面）和智能穿戴（眼鏡、衣服）等方面的應用（圖3）。 

圖3. 光熱防/除冰表面形核機制（a）、材料形貌特征和結構設計（b-e）、疏水-疏冰機理（f）。

4. 光熱防/除冰領域的挑戰

  光熱轉換效率的提升是光熱防/除冰材料面臨的第一個挑戰。太陽光譜選擇性吸收是最有效的策略之一，其與電熱效應的協同，對開發全天候被動防/除冰系統有重要意義。同時，在復雜工況（如高海拔地區低溫、夏季高溫、陰天等）下，“擇性吸收+電熱” 防/除冰系統需要更高的力學性能、光熱轉換效率、機械耐久性和物理化學穩定性。因此，在惡劣環境下實現綜合性能的提升極具挑戰性。

  多功能一體化是光熱防/除冰材料面臨的第二個挑戰。例如，除光熱防/除冰之外，智能穿戴領域所提出的人體皮膚舒適度和輕量化要求；防霧/冰玻璃等透明襯底表面所提出的透明性要求；軍事航空領域所提出的電磁屏蔽要求；海洋工程領域所提出的防腐蝕要求等。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148265

通訊作者簡介

  王成兵，男，1980年生，博士（后），教授，博士生導師，中國機械工程學會表面工程分會青年委員，摩擦學分會青年委員，磨損與表面技術專委會委員，國家自然科學基金同行評議專家，陜西科技大學學術骨干。畢業于中國科學院蘭州化學物理研究所，獲理學博士學位，因科研成績優異，獲“朱李月華”優秀博士生獎學金。2015年1月至2016年1月作為國家公派訪問學者在美國加州大學圣地亞哥分校學習。近3年以第一作者/通訊作者在NanoEnergy, Small, J. Mater. Chem. A, Solar RRL, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Mater. Design., Chin. Chem. Lett.等期刊上發表SCI論文10余篇，其中影響因子10以上論文6篇，高倍引論文1篇，邀請綜述1篇，封面論文3篇。作為項目負責人先后主持完成教育部博士點新教師基金項目1項、中國博士后基金面上資助和特別資助項目各1項、國家自然科學基金4項。

  師晶，女，博士（后），副教授，碩士生導師，陜西省青年科技新星，陜西省科學技術協會青年人才托舉計劃入選者。中國機械工程學會表面工程分會青年學組特邀專家，國家自然科學基金同行評議專家，陜西省機械工程學會摩擦學分會會員，陜西科技大學機械表面技術與服役行為研究中心成員，機電工程學院材料成型及控制工程系副主任。2018年于中國科學院蘭州化學物理研究所獲工學博士學位。2019年9月至2021年9月，在西北工業大學機電學院從事博士后研究工作。主要從事機械摩擦學理論及表/界面行為、固體潤滑涂層先進制造等領域的教學和科研工作。近5年，主持縱向科研項目8項（含國家級/省部級等），參與國家級科研項目若干項，以第一/通訊作者在SCI期刊上發表論文10余篇，其中封面論文2篇。以第一/通訊作者在SCI期刊上發表論文10余篇，其中封面論文2篇。