日前,吉林大學化學學院、超分子結構與材料國家重點實驗室劉小孔教授研究團隊在太陽光熱除冰領域取得重要進展,該研究成果以“Highly Transparent and Self-Healable Solar Thermal Anti/De-Icing Surface: When Ultrathin MXene Multilayers Marry Solid Slippery Self-Cleaning Coating”為題在線發表于《先進材料》(Advanced Materials, 2021, DOI: 10.1002/adma.202108232)。近日,該研究成果被《化學與工程新聞》雜志(Chemical & Engineering News, C&En)專題報道。
結冰是冬季或低溫環境中最為常見的自然現象。然而,對于很多領域,結冰會產生諸多不利影響,甚至導致災難性的后果。汽車擋風玻璃結冰會影響視線,太陽能發電板結冰會降低發電效率,飛機機翼結冰會影響飛行安全。傳統的除冰或抗冰的方法包括電加熱、化學噴霧劑等,存在能耗高、污染環境等問題。如果能將太陽能轉化為熱量,防止或融化結冰,將會是一個經濟、環保的抗/除冰良策。但是,幾乎所有能夠將太陽能轉化為熱量的光熱材料均為黑色的。因此,制備兼具優異光熱性能與高透明度的光熱轉換涂層材料是一項重大難題,透明的太陽光熱抗/除冰涂層此前從未見報道。
據此,吉林大學劉小孔教授研究團隊設計并制備了一種高度透明的太陽光熱抗/除冰涂層,該涂層對可見光的透明度高達77%,同時兼具自清潔、自修復、大面積制備等優異特性。這種涂層由超薄MXene多層膜與固態超滑自清潔表面(solid slippery self-cleaning surface)的結合構筑而成(圖a,b)。得益于超薄MXene多層膜優異的光熱轉換性能,即使在環境溫度為零下30 ℃的情況下,這種透明涂層在一個太陽光強照射下,也能夠將表面溫度提高31 ℃,有效阻止水的結冰或將先前形成的冰進行融化(圖c)。同時,涂層的固態超滑表面賦予了其極佳的自清潔性能,能夠有效抵抗水性及油性污漬(圖d),可使沒有凍結的水或融化的冰快速滑落而不留痕,實現太陽光照下高效抗冰或除冰的性能。該涂層具有在光照下實現自修復的性能,可以對抗物理損傷和化學氧化,降低維護成本并且延長使用壽命。這一具有高透明度與自清潔性能的太陽光熱抗/除冰涂層有望在汽車擋風玻璃、建筑物玻璃幕墻、風力發電輪、太陽能發電板、飛機涂層等領域得到廣泛應用。
圖1:a,太陽光熱抗/除冰涂層的制備過程及結構示意圖。b,涂層修飾后的玻璃的光學照片。c,在零下30℃的環境中,涂層修飾后的玻璃表面在一個太陽光強照射下,升高的溫度隨照射時間變化的曲線。d,涂層對水性及油性污漬的自清潔性能展示。
以上研究工作得到了國家重點研發計劃項目的支持。吉林大學劉小孔教授為論文的唯一通訊作者,吉林大學在讀博士研究生牛文文為論文第一作者。
文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108232
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