近日，北京科技大学赖念筑/褚福强副教授合作在Advanced Materials期刊上发表一篇题为“Efficient Photothermal Anti-/Deicing Enabled by 3D Cu2-xS Encapsulated Phase Change Materials Mixed Superhydrophobic Coatings”的研究成果。第一作者为博士研究生侯明泰。
在太阳能利用方面，将太阳能直接转化为热能具有较高的能量转换效率。近年，依靠光热材料的被动防冰/除冰策略受到了广泛关注。将光热材料与传统的超疏水涂层相结合，可显着提高涂层在极寒条件下表面的防/除冰性能。然而，太阳能的低能量密度和间歇性限制了全天候防冰/除冰技术的发展。相变材料（PCMs）被认为是一种前景广阔的解决方案。但传统有机PCM具有热导率低以及在固液相变过程中存在泄漏等限制。以热导率高、化学结构稳定的材料对PCM进行微囊化封装（MPCMs）是解决上述问题的有效方法之一。同时，可以通过微胶囊壳层的形态、结构等调控，设计出具有高光热转化效率的MPCM。
Cu2-xS 是常见具有高载流子密度的非计量半导体材料，因其在宽光谱区的优异表面局域等离子体共振（LSPR）效应、高热导率和低成本等特性而被用作太阳能吸收体。半导体太阳能吸收体的光热性能在很大程度上受到其结构、组成和形态的影响。合成具有三维结构的Cu2-xS 纳米晶体（NCs）可望实现高光热转换效率。然而，在MPCM材料中，设计并制备高包封率、形貌/结构可调控的半导体壳材料仍然是一个巨大的挑战。
文 章 简 介
基于此，北京科技大学赖念筑/褚福强副教授合作在国际知名期刊Advanced Materials期刊上发表一篇题为“Efficient Photothermal Anti-/Deicing Enabled by 3D Cu2-xS Encapsulated Phase Change Materials Mixed Superhydrophobic Coatings”的研究成果。该研究报道了一种集光热-相变储能-超疏水于一体的多功能复合涂层用于全天候防除冰策略。首先开发了由 Cu2O与具有缺陷结构的三维Cu2-xS半导体材料作为双壳层，具有全光谱高吸收率的新型MPCM，其光热转换效率和蓄热能力分别高达 96.1% 和 99.2%。200次热循环后，MPCMs仍表现出极佳的热稳定性。利用所设计的MPCMs协同氯硅烷，开发出多功能、广适应性的超疏水复合涂层，在低温（-20 °C）、高湿（RH 60-70%）条件下实现了优异的防/除冰性能。文章中明晰了微囊化封装抑制PCM过冷机制、与复合涂层的防除冰机理。新型光热相变微胶囊为太阳能高效利用提供了一种新策略，对开发极端条件下多场景应用的先进防冰/除冰涂层具有深远意义。
图摘要
本文要点
要点一：相变微胶囊形貌的可控合成及演变机理
图 1. 微胶囊的制备和表征
提出了一种以三维等离子半导体Cu2-xS为壳层封装相变材料的制备方法。先制备出具有规则形貌、高包封率的Cu2O封装MPCM。以Cu2O壳为牺牲模板，在溶液中加入不同量硫代乙酰胺，通过静电作用力，精准诱导3D Cu2-xS NCs在Cu2O壳上进行生长。
要点二：相变微胶囊材料优异的储热性能
图 2. 微胶囊的相变蓄热性能
基于Kirkendall效应在双壳层间形成的空隙，有效缓解了芯材相变热膨胀，提高热稳定性。200次DSC测试结果也证明了微胶囊优异的热循环稳定性。
要点三：相变微胶囊材料优异的光热性能
图 3. 微胶囊的光吸收、光热转换和储存能力
除了优异的LSPR效应，进一步可通过改变Cu2-xS壳层的形貌，构建表面三维微/纳米结构增加比表面积，促进光在壳层的多反射，进一步提高Cu2-xS壳层的光吸收率，实现太阳光全光谱的高效吸收。
要点四：超疏水复合涂层的多功能性
图 4. 氯硅烷和微胶囊的超疏水复合涂层
基于十八烷基三氯硅烷水解缩合反应，通过添加微胶囊材料，开发了一种超疏水复合涂层。复合涂层表现了对多材质表面的高疏水性，且具有优异的快速回弹液滴、自清洁及光热转化及存储性能。
要点五：超疏水复合涂层优异的防/除冰性能
图 5. 光热超疏水复合涂层的高效防冰/除冰
集高效光热转换-相变储能-超疏水于一体的复合涂层，赋予单一超疏水涂层在低温（-20 °C）、高湿（RH 60-70%）下具有出色的防冰性能，并且具有一个太阳辐射强度下快速除冰（冰滴或冰膜）的能力。
主要结论
· 开发了一种新型等离子体 (3D) Cu2-xS 包覆的相变微胶囊，微胶囊具有优异的光吸收和高度等离子体局部加热特性，蓄热能力达到 99.2%，光热转换效率达到 96.1%。材料在200次热循环下表现出优异的相变可逆性和耐久性。相变过冷度显着降低至 4.1 °C，明晰了微封装对相变过冷行为的抑制机制。
· 结合十八烷基三氯硅烷水解缩合产物与光热相变微胶囊开发了一种广适应性的超疏水复合涂层，该涂层具有快速回弹液滴、自清洁、光热转化及储存等功能。
· 在低温、高湿的条件下，针对撞击液滴，涂层显示出卓越的防结冰性能；在一个太阳辐射强度下，归因于高效的光热转化，针对结冰的冰滴或冰膜，涂层均具有快速融冰特性。
该研究成果得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金等资金支持。
通讯作者简介
赖念筑副教授简介
化学专业，斐陶斐荣誉学会会员。2014年博士毕业于清华大学（台湾）化学所，获得台湾同步辐射中心杰出研究奖，随后在香港中文大学从事博士后工作，合作导师为卢怡君教授，2019年加入北京科技大学能源与环境工程学院。主要研究方向为微/纳米能源材料设计与合成、能源储存与转换、电催化。近年来，在Joule、Adv. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、J. Catal.等高水平期刊发表论文40余篇。
褚福强副教授简介
动力工程与工程热物理专业，博士后创新人才支持计划、北京市青年托举人才获选者，中国航空学会结冰与防除冰分会青年委员。2018年博士毕业于清华大学，获清华大学优秀博士学位论文等，随后在北京航空航天大学从事博士后工作，2019年获北京航空航天大学优秀博士后等。2020年加入北京科技大学能源与环境工程学院，主要研究方向包括相变传热强化、液滴与润湿动力学、仿生界面及涂层技术、能量储存及利用等。近年来，以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Phys. Rev. Applied、Phys. Rev. Fluids、Appl. Phys. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Langmuir、Extreme Mech. Lett.、Energy、Int. J. Heat. Mass Transfer等期刊发表论文40余篇，总被引1500余次；受邀担任Appl. Phys. Lett.期刊客座编辑，受邀在国内外会议做学术报告10余次，担任30余个知名SCI期刊审稿人。
第一作者简介
侯明泰，北京科技大学在读博士研究生，动力工程与工程热物理专业，研究方向为相变储热材料、超疏水表面及涂层技术、太阳能高效利用。
全文链接：
Efficient Photothermal Anti-/Deicing Enabled by 3D Cu2-xS Encapsulated Phase Change Materials Mixed Superhydrophobic Coatings
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310312
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