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下雪和结冰是冬季最为常见的自然现象。然而,对于很多行业来说,结冰很不受欢迎,甚至可以导致灾难性的后果。车挡风玻璃结冰会影响视线,飞机机翼结冰会影响飞行安全,太阳能发电板结冰会降低发电效率。如果能够将太阳能转化为热量,融化表面的冰雪,将会是一个节能、环保、低成本的抗/除冰良策。可是,几乎所有能够将太阳光转化为热量的光热材料均为黑色。因此,制备兼具优异光热性能与高透明度的光热转化涂层材料是一项重大难题。截至目前,透明的太阳光热抗/除冰涂层从未见报道。

基于此,吉林大学刘小孔教授课题组在AdvancedMaterials报道了一种高透明度的太阳光热抗/除冰涂层(可见光透光率超过77%),同时兼具自清洁、自修复、大面积制备等优异特性。这种涂层由超薄MXene多层膜与固态超滑自清洁表面(solidslipperyself-cleaningsurface)的结合构筑而成。基于层层组装技术制备的超薄MXene多层膜兼具高透明度与优异的光热转换性能;固态超滑表面可使没有冻结的水或融化的冰快速滑落而不留痕,实现太阳光照下高效抗冰或除冰的性能。即使在环境温度为-30℃的情况下,这种涂层在一个太阳光强照射下,能够将表面温度提高31℃,有效阻止水的结冰或将先前形成的冰进行融化。同时,该涂层的固态超滑表面赋予了其极佳的自清洁性能,与超双疏(既超疏水又超疏油)表面类似,能够有效抵抗水性及油性污渍。与超双疏表面相比,又具有透明度高、制备成本低、基底普适性强、机械稳定性好等优势。并且,该涂层具有在光照下实现自修复的性能,可以对抗物理损伤和化学氧化,降低维护成本并且延长使用寿命。这一具有高透明度与自清洁性能的光热抗/除冰涂层有望在汽车挡风玻璃、建筑物玻璃幕墙、风力发电轮、太阳能发电板、飞机涂层等领域得到广泛应用。

材料真身

Ti3C2Tx是一种典型的二维MXene材料,自身具有近100%的光热转化效率。在此工作中,作者利用层层组装技术,通过在基底上交替沉积带正电的聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)和带负电的MXene纳米片,制备了透明的、具有光热转换性能的超薄MXene多层膜。同时,作者精心设计并制备了一种具有极低表面能的聚合物,该聚合物可通过无溶剂刮涂法来制备透明的固态超滑自清洁(SOPS)涂层。作者将SOPS涂层涂覆在MXene多层膜上,最终构筑了具有高透明度与自清洁性能的光热转换MXene-SOPS涂层。该涂层的可见光透过率高达77%,同时,可在一个太阳光强照射下,将基底表面的温度升高31oC。

图1MXene-SOPS涂层的制备及性能示意图

图2MXene-SOPS涂层的透明性和光热转换性能

MXene-SOPS的自清洁性能及基底普适性

MXene-SOPS涂层具有优异的自清洁性能,能够有效地抵抗水性及油性污渍,包括水、有机溶剂、高粘度的油、强酸、强碱等。该涂层的制备方法具有易于大规模工业化博游娱乐平台登录∣资讯∣攻略制备的优势,可制备于多种大面积的柔性或刚性基底上,赋予其自清洁性能和光热转换性能。作者将MXene-SOPS涂层制备在商品化的大尺寸柔性PET贴膜上,得到的PET贴膜可进一步贴附到其他难以涂覆的基底上(如建筑物玻璃外墙、汽车挡风玻璃等),赋予其太阳光热防冰、除冰和自清洁的性能。

图3MXene-SOPS涂层的自清洁性能及基底普适性

MXene-SOPS的光热防冰、除冰性能

得益于MXene-SOPS表面优异的光热转换和自清洁性能,在低至-25℃的环境中,在一个太阳光强的照射下,未冻结的水和界面融化的冰或霜均可以在短时间内无残留地从表面滑落。在温度低至-12℃的户外(2020.12.08,中国,长春),预先冻结有0.6cm厚度冰层的MXene-SOPS表面,可在自然阳光的照射下,高效清除其表面的冰层,留下干燥清洁的表面。

图4MXene-SOPS涂层的光热防冰、除冰性能