基于Gr-TiO2界面电荷转移的光热超疏水涂层高效防除冰机理研究

《Progress in Organic Coatings》：Charge transfer and thermal conduction mechanisms in superhydrophobic Gr-TiO? photothermal coatings for high-efficiency deicing

为解决极端低温环境下基础设施表面结冰问题，本研究通过"表面锚定组装"策略开发了石墨烯(Gr)-TiO2光热-超疏水双功能复合涂层。该涂层实现了>155°的静态接触角和<5°的滑动角，在标准太阳辐射下温升达16°C，结冰延迟延长至1150秒。DFT计算揭示了Gr-TiO2界面因功函数差(ΔΦ=0.64eV)驱动的电荷转移机制，为光热性能增强提供了微观解释。这项工作通过材料设计、工艺创新和机理分析的三维协同，为极端环境防除冰提供了高效稳定的解决方案。

　　

在北极科考站、高山输电线路和严寒地区的风力发电场，表面结冰始终是困扰工程技术人员的一大难题。当温度骤降，冰层在设备表面悄然形成，不仅影响设备正常运行，更可能引发严重事故——风力发电机叶片结冰可导致发电效率下降超过25%，飞机机翼结冰会改变气动特性，输电线路覆冰甚至会造成断线事故。全球每年因表面结冰造成的经济损失高达数百亿美元。

传统防除冰技术面临两难困境：被动防冰技术如超疏水涂层，在-10°C以下就会因冰晶生长应力而失效；主动除冰技术如电热融冰，则存在能耗高、成本大等问题。近年来，光热-超疏水双功能涂层展现出独特优势，但现有制备方法往往工艺复杂、难以规模化，且对光热增强的微观机制和热传导过程缺乏深入认识。

正是在这样的背景下，吉林大学材料科学与工程学院的研究团队在《Progress in Organic Coatings》上发表了一项创新研究。他们开发了一种基于"表面锚定组装"策略的环氧树脂基光热超疏水涂层，通过石墨烯(Gr)和二氧化钛(TiO₂)的协同作用，实现了高效防除冰性能，并从电子层面揭示了其作用机制。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过聚多巴胺(PDA)修饰和共价键合构建Gr-TiO₂杂化粒子，利用辛基三乙氧基硅烷(OTES)改性提供低表面能；然后采用半固化环氧树脂基体实现功能粒子的表面锚定；通过密度泛函理论(DFT)计算分析界面电荷转移机制；建立热传导模型研究防除冰过程中的热量传递行为。所有实验材料均来自商业供应商，确保了技术的可重复性。

材料制备与表征

研究人员首先对Gr进行PDA修饰，然后通过3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷(IPTMS)与OTES改性的TiO₂共价连接。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)显示3412cm^-1处出现-NH₂特征峰，1639cm^-1处为C=O振动峰，证实PDA成功接枝。X射线光电子能谱(XPS)显示Gr@PDA的C1s谱中C-N/C-O键比例从15.2%增至25.1%，进一步验证了改性效果。

涂层性能评估

通过对不同组分比例的E-GT涂层进行系统评价，发现E-GT5表现出最佳的综合性能。该涂层水接触角(WCA)>155°，滑动角(SA)<5°，在标准太阳辐射下400秒内温升比对照组高16°C。在-15°C环境下，冰附着强度仅为23.5kPa，结冰延迟时间延长至1150秒。经过60次砂纸磨损(100g载荷)和30次胶带剥离后，超疏水性仍保持完好。

界面机制分析

DFT计算揭示了Gr-OH与TiO₂界面存在0.64eV的功函数差，驱动了界面电荷转移，这是光热性能增强的微观原因。热传导模型分析表明，涂层通过高效的光热转换和定向热传导，实现了快速融冰和防止复冻的双重效果。

机械稳定性测试

涂层经过机械磨损、紫外老化、化学腐蚀等多重考验后，仍保持优异的超疏水性和光热性能。这种稳定性源于粒子在环氧树脂表面的牢固锚定结构，避免了传统共混方法中粒子易脱落的问题。

这项研究的意义不仅在于开发了一种高性能防除冰涂层，更在于从电子层面揭示了光热增强机制。通过材料设计、工艺创新和机理分析的三维协同，为极端环境防除冰提供了可规模化应用的解决方案。该工作对延长寒冷地区基础设施使用寿命、保障能源输送安全具有重要价值，为新型功能涂层的设计提供了新思路。

研究的创新点在于将界面工程概念引入防除冰涂层设计，通过精确控制界面电子行为优化宏观性能。未来研究方向可聚焦于不同气候条件下的长期耐久性评估，以及面向特定应用场景的定制化开发。随着全球气候变化加剧，这种高效、环保的防除冰技术有望在航空航天、能源电力、交通运输等领域发挥重要作用。