近日，北京理工大学材料学院贺志远教授和加州大学洛杉矶分校UCLA贺曦敏教授合作在国际物理领域知名期刊《应用物理评论》（Applied Physics Reviews， IF = 19.5）发表了题为“Photothermal Strategies for Ice Accretion Prevention and Ice Removal”综述文章。该论文被甄选为Featured Article (https://doi.org/10.1063/10.0019882)。相关工作由北京理工大学贺志远教授和UCLA贺曦敏教授为通讯作者，北京理工大学为第一完成单位。
以太阳能为基础的可再生能源转换和储存技术为解决能源短缺和向可持续社会过渡提供了巨大的希望。高效的收集和转化对优化太阳能的收获具有决定性的作用。光热转换已经成为最有效的太阳能转换技术，并引发了对除冰相关应用的兴趣激增。在这里，我们对广泛应用的光热转换材料和光热转换技术的机制进行了全面的回顾。此外，我们还关注高性能太阳能驱动光热材料的高效光捕获结构。最后，我们讨论了光热除冰系统的研究进展，并总结了提高其性能的未来挑战。本文为光热材料的分类和捕光结构的构建提供了合理的参考，为光热材料的防冰设计提供了有价值的见解。
图1. 光热除冰概述
1.光热材料与光热机制
光热转换过程是一个复杂而相互关联的一系列阶段。它包括吸收光、通过声子将光子能量转化为热能、通过材料的体相和界面传递热量、使物质发生相变等几个步骤。当光子与材料中的电子相互作用时，电子通过能级跃迁或等离子体共振吸收光子能量，产生处于激发态的高能电子，又称热电子。这些热电子倾向于通过二次辐射或振动弛豫传递和重新分配它们的一些能量，从而回到热平衡状态。电子向激发态的转变和热平衡的恢复导致热能的产生和扩散，常常导致温度的升高总的来说，光热转换的机制可分为三类:等离子体加热、电子空穴生成和弛豫以及分子的热振动。一般来说，光热转换的良好候选材料应该在整个太阳光谱范围(295- 2500 nm)吸收可忽略不计的透过率和反射率的阳光，同时有效地将太阳能转化为热能，而不进行任何能量转换或辐射。
图2 光热材料的选择
2.太阳能的高效利用
光吸收对光热转换有重要影响。除了材料固有的吸收特性外，设计和制备光捕获结构，改变光的传播方向，可以实现受挫的全内反射，从而有效地提高光的吸收率入射光将被捕获在结构内部，通过延长光程长度可以减少内部反射光的能量损失。此外，光捕获结构导致透光率降低，最终通过充分减少表面反射和透射使光吸收最大化，常见的光捕获结构包括阵列结构、多孔结构和随机粒子结构。除了增强光吸收，减少传热损失也很重要。在光热转换过程中，能量损失的主要来源是热传导、对流和辐射损失。
图3 光陷阱结构的设计
3.除冰机制
到目前为止，根据不同的结冰阶段，材料表面防结冰的方法主要有三种:(1)结冰前，通过直接消除表面的水分，防止表面与水滴接触;从表面去除水滴有三种不同的方法:直接滚转、自跳转和滚转液体润滑层，每种方法都有其独特的机制和应用。(2)结冰期间，减缓水滴中冰的成核，延长结冰时间;根据经典成核理论，可以通过减小液滴与基体的接触面积和增大成核能垒防止非均相成核。(3)结冰后，最大限度地减少形成的冰与材料表面的粘附。降低冰面附着强度的策略包括采用光滑、纹理、光滑和界面裂缝源表面。
图4 界面控制冰成核
4.除冰挑战
在寒冷的天气里，暴露在外的表面结冰是很常见的现象，会影响设备和设施的正常运行。为了克服这个问题，光热防冰表面是一种首选的解决方案，因为它具有低成本、卓越的节能效益和生态友好性的优点。然而，在光热系统中，如何提高光热涂层的转换效率，克服太阳辐射间歇性的限制，实现高可见光透过率仍然是一个挑战。
(1) 长期使用的光热防冰/除冰表面的一个关键问题是透明度差。光热除冰涂层应该是不透明和/或黑色的，因为透明物体几乎不吸收光。然而，对于望远镜透镜、窗户、挡风玻璃、电子显示器和太阳能电池中使用的除冰/除霜表面，非常希望具有良好的透明度。在过去的五年中，一些鼓舞人心的作品报道了透明光热涂层，如图5所示。
图5透明光热除冰涂层近五年研究进展
(2) 虽然光热除冰提供了明显的好处，但也有缺点要考虑。一个重要的问题是，融化的水停留在表面上，当照明不恒定时可以重新冻结。剩余的融化水具有很高的比热容，反射太阳光，这可以显著降低光热效率。因此，有必要除去融化的水，以获得清洁干燥的表面。为了解决这一问题，提出了光热除冰与其他方法相结合的方法。在接下来的部分中，我们提出了几种可以弥补单一光热除冰缺点的组合策略。例如：光热防冰与电热防冰策略相结合，实现全天连续无冰应用。电热防冰方式在晚上工作，光热防冰方式在白天工作，两者相辅相成。光热防冰涂层与超疏水涂层的组合具有广阔的应用前景。光热膜上融化的冰可以很容易地从超疏水涂层上脱落，避免再次冻结。相变材料和光响应材料的有效结合可以集成光热转换、能量储存和热量释放。在有阳光的情况下，光热材料启动光-热转换，将温度提高到比相变材料的转变温度更高的值。然后，相变材料通过相变吸收大量热能，并将其作为潜热储存。在没有阳光的情况下，温度大大低于相变材料的转变温度，储存的热能逐渐释放，用于零光除冰目的。
综上所述，我们对光热材料和结构的设计策略进行了综述。与传统的除冰方法相比，光热加热具有成本低、环境友好和可持续性等优点。选择合适的光热转换材料对光热除冰器的效果至关重要。光捕获结构可以提高太阳能的吸收，但可能在一定程度上损害透明度。选择性太阳吸收涂层是一种很有前途的平衡视觉透明度和光热性能的解决方案，它要求在太阳红外光谱(0.75 μm-2.5 μm)内具有高吸收率，在可见光光谱(0.38 μm-0.75 μm)内具有高透射率。为了解决光热除冰在复杂环境中的局限性，人们开发了“光热+”策略来提高除冰效率，并创造下一代光热材料。虽然在实验室光热除冰方面取得了可喜的进展，但仍存在挑战，今后的研究也有重点。首先，目前的技术主要集中在高光热吸收和光热效率的各种光热材料的集成上，但温度过热的风险带来了很大的危险。因此，鼓励设计能够随环境变化自动散热的光热涂层。其次，实际的光热效应受到不断变化的阳光强度和位置的影响，而实验室测量通常无法解释这一点，因为它们通常只考虑固定的位置(垂直于表面)和恒定的强度(1 Kw m-2)。因此，对弱光强下的光热疏冰表面进行研究是十分必要的。这些探索将加快光热除冰在实际应用中的发展。
本研究得到了国家重点研发计划项目(2020YFE0100300)、国家自然科学基金项目(22122206)等项目支持。
通讯作者
贺志远：教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，中国科学院青促会会员。发表文章40余篇，包括Sci. Adv、Angew. Chem. Int. Ed.、Acc. Chem. Res.、PNAS、Nat.Comm、Matter、ACS Nano、CCS Chem.等，申请国家发明专利10余项，已授权7项。应邀在“2019 MRS Fall Meeting” “16th Pacific Polymer Conference” 等重要国际学术会议做邀请报告。
贺曦敏：加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系教授和加州纳米体系研究所（CNSI）的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研究方向包括刺激响应性材料、仿生功能材料、化学和生物传感器、驱动器等，并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她的关于自调制材料，人工向光材料，及柔性机器人等研究获得了一系列地区和国际的奖励，并且受到了百余家新闻媒体报道。
论文信息：
Tongtong Hao1, Dan Wang1, Xiaoting Chen1, Abdullatif Jazzar2, Pengju Shi2, Cunyi Li3,Heran Wang4, Ximin He2*, Zhiyuan He1*,Photothermal strategies for ice accretion prevention and ice removal,Applied Physics Reviews,DOI: 10.1063/10.0019882
原文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0148288
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