第一作者：杜翠婷

通讯作者：王巍，陈守刚

通讯单位：中国海洋大学材料科学与工程学院

研究速览

面对严酷的低温海洋环境，金属表面的高效防冰/除冰和长效腐蚀防护对于海洋机械装备而言至关重要。中国海洋大学陈守刚教授和王巍教授团队在Composites Part B: Engineering中提出了一种以Bi2S3/Ti3C2Tx为光热填料，聚氨酯（PU）为基体的多功能涂层（BSPU）。Bi2S3/Ti3C2Tx具有76.13%的光热转换效率和优异的光热循环稳定性。PU由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Diels-Alder反应（DA反应）等单体组成，赋予涂层具有光滑、疏水和自修复特性的表面，促使该涂层在低温环境中可同时实现被动防冰和主动除冰功能。Bi2S3/Ti3C2Tx经过光热转换以提高涂层温度，导致冰层在-30°C的300秒内脱落。BSPU将水滴在光照下的冷冻时间延长至1500秒以上，是裸金属基板上冷冻时间的6.3倍。由于二维填料提供的“迷宫效应”，涂层的耐腐蚀性显著增强。在低温模拟海水的环境中浸泡90天后，涂层仍保持良好的防腐防护能力。依靠光热效应触发涂层中Diels-Alder（DA）可逆反应，涂层够在短时间内实现损伤自愈。该涂层满足了疏水性和光热主导的被动防冰/主动除冰和耐腐蚀性的要求，在低温海洋环境中具有很高的应用前景。

亮点分析

亮点一：通过光热效率表征测试和COMSOL有限元模拟相结合的方法，深入解析了Bi2S3/Ti3C2Tx异质结的光热转换机理。

亮点二：所设计的多功能涂层克服常见防冰涂层耐蚀性的不足，兼具优异的被动防冰/主动除冰性能、防腐性能，快速的光热自修复性能增强了涂层的防护能力。

图文导读

图1 SEM图，（a，b）Ti3C2Tx，（c-e）Bi2S3/Ti3C2Tx，（f-h）单层Bi2S3/Ti3C2Tx及其EDS元素组成。

图2 （a）XRD光谱，（b）Zeta电位，（c-f）XPS全光谱和精细光谱，（g-h）UV-vis漫反射光谱和Tauc图，（i）光热循环（在1.5 W/cm?的808 nm激光照射下）。

图3（a）防冰实验装置和热能吸收耗散示意图，（b1）水滴延迟冻结和（b2）冰滴快速融化（-10°C恒温平台，1个太阳，0.2 mL去离子水），（C）光热除冰（涂层表面冰厚度为3 mm，-30 ℃，1 sun光照强度）。红色虚线表示冰-水边界。

图4 在3.5 wt%的NaCl溶液中的电化学阻抗谱（a：20 ℃下的Pure-PU，b：20 ℃下的BSPU-2涂层，c：0 ℃下的BSPU-2涂层。（a1-c1）奈奎斯特图，（a2-c2）阻抗模量图，（a3-c3）相位角图。

图5 BSPU-2涂层的划痕修复（1.5 W/cm-2 808nm激光照射）。（a，b）通过激光共聚焦测试的修复过程，其中（b2）是交叉划痕中心的深度。SKP映射，（d）显示了表面电势在X方向上的数值变化过程。

结论

设计Bi2S3/Ti3C2Tx为填料、聚氨酯（PU）为基体开发了一种具有光热防冻、耐腐蚀和自修复性能的涂层。Bi2S3和Ti3C2Tx之间形成的Mott-Schottky异质结增强了材料的稳定性和光热性能。在光照下，Bi2S3/Ti3C2Tx作为局部热源，为涂层提供热能，有效延缓表面结冰，并在-30 ℃的低温环境中在300秒内实现快速脱冰。此外，Bi2S3/Ti3C2Tx在涂层中表现出的“迷宫”效应抑制了腐蚀介质的渗透，从而提高了其耐腐蚀性。此外，具有DA反应基团的PU，能够在808nm红外激光照射下实现本征自修复。因此，该涂层不仅提供了卓越的光热除冰性能，以满足复杂和动态应用中的防冰需求，而且还表现出优异的低温耐腐蚀性，可有效保护金属。固有的自我修复能力进一步延长了涂层的使用寿命。因此，这种创新涂层在极端寒冷的海洋环境中具有很好的应用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111255

参考文献：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.