基于中空CuS纳米颗粒光热薄膜的界面抑冰与滑冰性能研究

《Surfaces and Interfaces》：Interfacial de-icing and ice-sliding with suppressed freezing using a photothermal film containing hollow CuS nanoparticles

本文开发了一种由中空CuS纳米颗粒嵌入聚乙烯醇缩丁丁醛（PVB）基质并覆以疏水聚二甲基硅氧烷（PDMS）层的双层光热薄膜。该设计通过局域表面等离子体共振（LSPR）实现高效光热转换（最高142°C，效率34.6%），结合PDMS的疏水性与隔热性，可延迟结冰起始时间454%，加速冰层脱落3倍以上，为极端气候下的表面结冰问题提供了一种无源、可持续的解决方案。

　　

中空CuS纳米颗粒的制备

通过以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂的溶液法合成了中空CuS纳米颗粒。首先将2.4克PVP溶解于250毫升去离子水中，在25°C下搅拌15分钟获得均质溶液。随后将0.0672克CuCl₂溶于1毫升去离子水后滴加至PVP溶液中，再加入250毫升1M氢氧化钠持续搅拌反应2分钟。最后注入64微升硫代乙酰胺溶液，经离心洗涤后获得具有明确中空球形结构的CuS纳米颗粒。

玻璃基底上PPC薄膜的结构与光学特性

透射电镜（TEM）显示合成的CuS颗粒具有明确的中空球形形貌。能谱（EDS）元素分布证实铜和硫在颗粒内均匀分布，原子比Cu:S=51.1:48.9，与covellite相CuS的1:1化学计量高度吻合。薄膜在可见光区透光率达80%，近红外区吸收超过90%，其光热升温曲线显示10秒内可达稳定温度，体现了优异的光热响应性。

结论

本研究开发了一种将中空CuS纳米颗粒嵌入PVB基质并覆盖PDMS层的双层光热薄膜。该结构通过中空CuS的强近红外吸收与聚合物层的疏水隔热特性，实现了抑冰、除冰和滑冰的多功能协同。PPC/玻璃薄膜最高表面温度达142°C，光热转换效率为34.6%，其低导热系数（0.094 W/m·K）确保热量集中于界面区域，使结冰延迟454%，冰层脱落速度提升3倍以上，为极端环境下的表面结冰问题提供了可持续解决方案。