第一作者：杜翠婷

通訊作者：王巍，陳守剛

通訊單位：中國海洋大學材料科學與工程學院

研究速覽

面對嚴酷的低溫海洋環境，金屬表面的高效防冰/除冰和長效腐蝕防護對于海洋機械裝備而言至關重要。中國海洋大學陳守剛教授和王巍教授團隊在Composites Part B: Engineering中提出了一種以Bi2S3/Ti3C2Tx為光熱填料，聚氨酯（PU）為基體的多功能涂層（BSPU）。Bi2S3/Ti3C2Tx具有76.13%的光熱轉換效率和優異的光熱循環穩定性。PU由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Diels-Alder反應（DA反應）等單體組成，賦予涂層具有光滑、疏水和自修復特性的表面，促使該涂層在低溫環境中可同時實現被動防冰和主動除冰功能。Bi2S3/Ti3C2Tx經過光熱轉換以提高涂層溫度，導致冰層在-30°C的300秒內脫落。BSPU將水滴在光照下的冷凍時間延長至1500秒以上，是裸金屬基板上冷凍時間的6.3倍。由于二維填料提供的“迷宮效應”，涂層的耐腐蝕性顯著增強。在低溫模擬海水的環境中浸泡90天后，涂層仍保持良好的防腐防護能力。依靠光熱效應觸發涂層中Diels-Alder（DA）可逆反應，涂層夠在短時間內實現損傷自愈。該涂層滿足了疏水性和光熱主導的被動防冰/主動除冰和耐腐蝕性的要求，在低溫海洋環境中具有很高的應用前景。

亮點分析

亮點一：通過光熱效率表征測試和COMSOL有限元模擬相結合的方法，深入解析了Bi2S3/Ti3C2Tx異質結的光熱轉換機理。

亮點二：所設計的多功能涂層克服常見防冰涂層耐蝕性的不足，兼具優異的被動防冰/主動除冰性能、防腐性能，快速的光熱自修復性能增強了涂層的防護能力。

圖文導讀

圖1 SEM圖，（a，b）Ti3C2Tx，（c-e）Bi2S3/Ti3C2Tx，（f-h）單層Bi2S3/Ti3C2Tx及其EDS元素組成。

圖2 （a）XRD光譜，（b）Zeta電位，（c-f）XPS全光譜和精細光譜，（g-h）UV-vis漫反射光譜和Tauc圖，（i）光熱循環（在1.5 W/cm?的808 nm激光照射下）。

圖3（a）防冰實驗裝置和熱能吸收耗散示意圖，（b1）水滴延遲凍結和（b2）冰滴快速融化（-10°C恒溫平臺，1個太陽，0.2 mL去離子水），（C）光熱除冰（涂層表面冰厚度為3 mm，-30 ℃，1 sun光照強度）。紅色虛線表示冰-水邊界。

圖4 在3.5 wt%的NaCl溶液中的電化學阻抗譜（a：20 ℃下的Pure-PU，b：20 ℃下的BSPU-2涂層，c：0 ℃下的BSPU-2涂層。（a1-c1）奈奎斯特圖，（a2-c2）阻抗模量圖，（a3-c3）相位角圖。

圖5 BSPU-2涂層的劃痕修復（1.5 W/cm-2 808nm激光照射）。（a，b）通過激光共聚焦測試的修復過程，其中（b2）是交叉劃痕中心的深度。SKP映射，（d）顯示了表面電勢在X方向上的數值變化過程。

結論

設計Bi2S3/Ti3C2Tx為填料、聚氨酯（PU）為基體開發了一種具有光熱防凍、耐腐蝕和自修復性能的涂層。Bi2S3和Ti3C2Tx之間形成的Mott-Schottky異質結增強了材料的穩定性和光熱性能。在光照下，Bi2S3/Ti3C2Tx作為局部熱源，為涂層提供熱能，有效延緩表面結冰，并在-30 ℃的低溫環境中在300秒內實現快速脫冰。此外，Bi2S3/Ti3C2Tx在涂層中表現出的“迷宮”效應抑制了腐蝕介質的滲透，從而提高了其耐腐蝕性。此外，具有DA反應基團的PU，能夠在808nm紅外激光照射下實現本征自修復。因此，該涂層不僅提供了卓越的光熱除冰性能，以滿足復雜和動態應用中的防冰需求，而且還表現出優異的低溫耐腐蝕性，可有效保護金屬。固有的自我修復能力進一步延長了涂層的使用壽命。因此，這種創新涂層在極端寒冷的海洋環境中具有很好的應用潛力。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111255

參考文獻：Cuiting Du, Wei Wang, Zihao Guo, Peng Wang, Shougang Chen, A robust anti-icing/de-icing and self-healing coating based on efficient photothermal Bi2S3/Ti3C2Tx nanofillers, Composites Part B: Engineering 274 (2024) 111255.