技术前沿丨ACS Applied Nano Materials：一种无氟超疏水微纳米结构SiO2/TiN用于防冰和光热除冰

齐鲁工业大学刘利彬教授 ACS Applied Nano Materials：一种无氟超疏水微纳米结构SiO2/TiN用于防冰和光热除冰

引用格式：

Tingting Yang, Qingqing Lu, Fangyuan Ren, Shengkang Xin, Hailong Zhang, Hong Qiao, Zuankai Wang, and Libin Liu,A Fluo rine-Free Superhydrophobic Micro–Nano Structured SiO₂/TiN Coating for Anti-icing and Photothermal Deicing ,ACS Applied Nano Materials Article ASAP , 2024. 

自然界中的结冰现象常常导致显著的经济损失和安全隐患。为了解决这一问题，环保型防冰和除冰表面技术得到了研发。作者采用了一种创新的易聚合工艺和两步喷涂技术，在微纳结构SiO₂/TiN颗粒的辅助下，成功制备了光热超疏水涂层。该涂层展现出了卓越的性能，其水接触角高达159.1°，滑移角则低至1.2°，充分证明了其出色的超疏水能力。此外，该涂层还具备强大的耐用性，无论是胶带剥落、Taber磨损还是溶液浸泡，都能保持其性能稳定，并表现出优异的耐气候和耐腐蚀性。更值得一提的是，SiO₂/TiN涂层在防冰/除冰方面展现出了卓越的性能，能够承受多次结冰/融化循环的考验。这种优异的性能主要归功于TiN纳米颗粒所构成的超疏水表面及其独特的光热效应。作者的无氟设计策略不仅确保了涂层的环保性，更为实际大规模应用提供了重要指导。这一创新技术的开发，为防冰/除冰领域带来了新的可能性，为解决因结冰引起的各种问题提供了有效手段。

图1.超疏水性光热SiO₂/TiN涂层制作方法示意图。

图2.(a)原始SiO₂/TiN 颗粒、改性SiO₂/TiN颗粒和接枝SiO₂/TiN颗粒的XPS 测量光谱和(b)高分辨率C1s光谱。接枝SiO₂/TiN颗粒的高分辨(c) N1s、(d) Si2p、(e) Ti2p 和(f) O1s光谱。

图3.(a) SiO₂/TiN涂层的SEM图像和相应的元素映射图像。(b)在颗粒含量分别为3.4% 、9.7% 、15.1% 和20.0% 的SiO₂/TiN涂层上进行WCA和WRA处理。(c)分别用1/1，6/5，3/2，2/1和3/1的mSiO₂/mTiN 在 SiO₂/TiN 涂层表面上的WCA 和WRA。(d)各种液滴在 SiO₂/TiN涂层表面的表面润湿性。(e)各种液体在 SiO₂/TiN 涂层上的CA和RA。(f)高速摄影机捕捉到的水滴在 SiO₂/TiN涂层上的反弹过程。

图4.(a)在温度-15℃和相对湿度30% 的情况下，裸露和涂覆铝板上的水滴逐渐形成结冰过程。(b)在不同温度下裸铝板和镀铝板上的冰块。(c)分别从裸铝板及 SiO₂/TiN涂层表面移除冰块所需的力量变化曲线。(d)裸玻璃、SiO₂涂层和 SiO₂/TiN 涂层的吸收光谱。(e)在氙灯照射5min下，在22.5℃下，不同 TiN 质量比的 SiO₂/TiN涂层的表面温度变化(ΔT)。(f)不同时间氙灯照射下裸铝板和镀铝板的表面温度。(g)裸玻璃和涂层玻璃在氙灯照射下23.6℃不同时间的温度变化曲线。

图5.(a)中国济南室外温度为0℃的裸玻璃和镀膜玻璃的实际除冰过程。(b) SiO₂/TiN涂层光热除冰机理示意图。(c)不同液体浸泡不同时间后WCA的变化。(d) Taber磨损试验期间SiO₂/TiN表面WCA和WRA的变化。(e)上涂层(I)和双层涂层(II)经过横切胶带测试后的光学照片对比。(f) SiO₂/TiN涂层与不同基材的附着力。(g)结冰期间WCA和WRA的变化。

图6.盐雾腐蚀300 h时(a) SiO₂/TiN涂层和(b)裸Cu片的表面形貌变化。(c)裸铜片和镀铜片腐蚀后不同时间的Tafel极化曲线。(d) SiO₂/TiN涂层和(e)裸Cu板腐蚀后不同时间的EIS。

总结与展望综上所述，作者成功地在SiO₂微球和TiN纳米颗粒的基础上，通过易聚合反应结合两步喷涂技术，开发出了一种无氟光热超疏水SiO₂/TiN涂层。经过一系列恶劣环境下的耐久性测试，包括蚀刻、胶带剥落和Taber磨损等，该涂层展现出了优异的机械和化学稳定性，并能始终保持出色的超疏水性。这种涂层不仅具有显著的防结冰能力，还能通过其光热效应显著延长水滴的结冰时间，达到了3.6倍的延长效果。在模拟日光照射的条件下，涂层表面的温度能够上升至133.8℃，显著高于裸基材。更令人振奋的是，经过500次冰融循环后，SiO₂/TiN涂层仍能维持其超疏水性能，并表现出良好的耐腐蚀性。TiN纳米粒子之所以具有如此强大的抗冰除冰能力，主要归功于其独特的微纳层次结构和通过低表面能化学修饰形成的超疏水表面。此外，TiN纳米粒子的光热效应也发挥了重要作用，进一步增强了涂层的防冰/除冰性能。总而言之，这种无氟光热超疏水SiO₂/TiN涂层凭借其卓越的机械和化学稳定性，以及显著的防冰/除冰性能，为大规模实际应用提供了一种极具前景的防冰/除冰解决方案。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c02362

相应的成果以“A Fluo rine-Free Superhydrophobic Micro–Nano Structured SiO₂/TiN Coating for Anti-icing and Photothermal Deicing ”为题发表在ACS Applied Nano Materials 上，文章的作者为齐鲁大学卢晴青老师，刘利彬教授。

来源：超疏水防冰表面研究站