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慧正資訊：近日，北京理工大學材料學院賀志遠教授和加州大學洛杉磯分校UCLA賀曦敏教授合作在國際物理領域知名期刊《應用物理評論》（Applied Physics Reviews， IF = 19.5）發表了題為“Photothermal Strategies for Ice Accretion Prevention and Ice Removal”綜述文章。
該論文被甄選為Featured Article(https://doi.org/10.1063/10.0019882)。相關工作由北京理工大學賀志遠教授和UCLA賀曦敏教授為通訊作者，北京理工大學為第一完成單位。
以太陽能為基礎的可再生能源轉換和儲存技術為解決能源短缺和向可持續社會過渡提供了巨大的希望。高效的收集和轉化對優化太陽能的收獲具有決定性的作用。光熱轉換已經成為最有效的太陽能轉換技術，并引發了對除冰相關應用的興趣激增。在這里，我們對廣泛應用的光熱轉換材料和光熱轉換技術的機制進行了全面的回顧。此外，我們還關注高性能太陽能驅動光熱材料的高效光捕獲結構。最后，我們討論了光熱除冰系統的研究進展，并總結了提高其性能的未來挑戰。本文為光熱材料的分類和捕光結構的構建提供了合理的參考，為光熱材料的防冰設計提供了有價值的見解。
圖1. 光熱除冰概述
1.光熱材料與光熱機制
光熱轉換過程是一個復雜而相互關聯的一系列階段。它包括吸收光、通過聲子將光子能量轉化為熱能、通過材料的體相和界面傳遞熱量、使物質發生相變等幾個步驟。當光子與材料中的電子相互作用時，電子通過能級躍遷或等離子體共振吸收光子能量，產生處于激發態的高能電子，又稱熱電子。這些熱電子傾向于通過二次輻射或振動弛豫傳遞和重新分配它們的一些能量，從而回到熱平衡狀態。電子向激發態的轉變和熱平衡的恢復導致熱能的產生和擴散，常常導致溫度的升高總的來說，光熱轉換的機制可分為三類:等離子體加熱、電子空穴生成和弛豫以及分子的熱振動。一般來說，光熱轉換的良好候選材料應該在整個太陽光譜范圍(295- 2500 nm)吸收可忽略不計的透過率和反射率的陽光，同時有效地將太陽能轉化為熱能，而不進行任何能量轉換或輻射。
圖2 光熱材料的選擇
2.太陽能的高效利用
光吸收對光熱轉換有重要影響。除了材料固有的吸收特性外，設計和制備光捕獲結構，改變光的傳播方向，可以實現受挫的全內反射，從而有效地提高光的吸收率入射光將被捕獲在結構內部，通過延長光程長度可以減少內部反射光的能量損失。此外，光捕獲結構導致透光率降低，最終通過充分減少表面反射和透射使光吸收最大化，常見的光捕獲結構包括陣列結構、多孔結構和隨機粒子結構。除了增強光吸收，減少傳熱損失也很重要。在光熱轉換過程中，能量損失的主要來源是熱傳導、對流和輻射損失。
圖3 光陷阱結構的設計
3.除冰機制
到目前為止，根據不同的結冰階段，材料表面防結冰的方法主要有三種:(1)結冰前，通過直接消除表面的水分，防止表面與水滴接觸;從表面去除水滴有三種不同的方法:直接滾轉、自跳轉和滾轉液體潤滑層，每種方法都有其獨特的機制和應用。(2)結冰期間，減緩水滴中冰的成核，延長結冰時間;根據經典成核理論，可以通過減小液滴與基體的接觸面積和增大成核能壘防止非均相成核。(3)結冰后，最大限度地減少形成的冰與材料表面的粘附。降低冰面附著強度的策略包括采用光滑、紋理、光滑和界面裂縫源表面。
圖4 界面控制冰成核
4.除冰挑戰
在寒冷的天氣里，暴露在外的表面結冰是很常見的現象，會影響設備和設施的正常運行。為了克服這個問題，光熱防冰表面是一種首選的解決方案，因為它具有低成本、卓越的節能效益和生態友好性的優點。然而，在光熱系統中，如何提高光熱涂層的轉換效率，克服太陽輻射間歇性的限制，實現高可見光透過率仍然是一個挑戰。
(1) 長期使用的光熱防冰/除冰表面的一個關鍵問題是透明度差。光熱除冰涂層應該是不透明和/或黑色的，因為透明物體幾乎不吸收光。然而，對于望遠鏡透鏡、窗戶、擋風玻璃、電子顯示器和太陽能電池中使用的除冰/除霜表面，非常希望具有良好的透明度。在過去的五年中，一些鼓舞人心的作品報道了透明光熱涂層，如圖5所示。
圖5透明光熱除冰涂層近五年研究進展
(2) 雖然光熱除冰提供了明顯的好處，但也有缺點要考慮。一個重要的問題是，融化的水停留在表面上，當照明不恒定時可以重新凍結。剩余的融化水具有很高的比熱容，反射太陽光，這可以顯著降低光熱效率。因此，有必要除去融化的水，以獲得清潔干燥的表面。為了解決這一問題，提出了光熱除冰與其他方法相結合的方法。在接下來的部分中，我們提出了幾種可以彌補單一光熱除冰缺點的組合策略。例如：光熱防冰與電熱防冰策略相結合，實現全天連續無冰應用。電熱防冰方式在晚上工作，光熱防冰方式在白天工作，兩者相輔相成。光熱防冰涂層與超疏水涂層的組合具有廣闊的應用前景。光熱膜上融化的冰可以很容易地從超疏水涂層上脫落，避免再次凍結。相變材料和光響應材料的有效結合可以集成光熱轉換、能量儲存和熱量釋放。在有陽光的情況下，光熱材料啟動光-熱轉換，將溫度提高到比相變材料的轉變溫度更高的值。然后，相變材料通過相變吸收大量熱能，并將其作為潛熱儲存。在沒有陽光的情況下，溫度大大低于相變材料的轉變溫度，儲存的熱能逐漸釋放，用于零光除冰目的。
綜上所述，我們對光熱材料和結構的設計策略進行了綜述。與傳統的除冰方法相比，光熱加熱具有成本低、環境友好和可持續性等優點。選擇合適的光熱轉換材料對光熱除冰器的效果至關重要。光捕獲結構可以提高太陽能的吸收，但可能在一定程度上損害透明度。選擇性太陽吸收涂層是一種很有前途的平衡視覺透明度和光熱性能的解決方案，它要求在太陽紅外光譜(0.75 μm-2.5 μm)內具有高吸收率，在可見光光譜(0.38 μm-0.75 μm)內具有高透射率。為了解決光熱除冰在復雜環境中的局限性，人們開發了“光熱+”策略來提高除冰效率，并創造下一代光熱材料。雖然在實驗室光熱除冰方面取得了可喜的進展，但仍存在挑戰，今后的研究也有重點。首先，目前的技術主要集中在高光熱吸收和光熱效率的各種光熱材料的集成上，但溫度過熱的風險帶來了很大的危險。因此，鼓勵設計能夠隨環境變化自動散熱的光熱涂層。其次，實際的光熱效應受到不斷變化的陽光強度和位置的影響，而實驗室測量通常無法解釋這一點，因為它們通常只考慮固定的位置(垂直于表面)和恒定的強度(1 Kw m-2)。因此，對弱光強下的光熱疏冰表面進行研究是十分必要的。這些探索將加快光熱除冰在實際應用中的發展。
本研究得到了國家重點研發計劃項目(2020YFE0100300)、國家自然科學基金項目(22122206)等項目支持。
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