成果简介
由于太阳能无处不在且取之不尽，光热材料因其在加热和除冰方面的潜力而备受关注。然而，以石墨烯为代表的传统光热材料经常会遇到反射率过高带来的挑战。受昆虫眼部结构的启发，本文，中国科学技术大学 朱纪欣 特任教授团队在《Small》期刊发表名为“Biomimetic Multifunctional Graphene-Based Coating for Thermal Management, Solar De-Icing, and Fire Safety: Inspired from the Antireflection Nanostructure of Compound Eyes”的论文，研究利用菲涅尔方程，通过引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）/二氧化硅（SiO2）涂层来提高石墨烯的光热转换效率，通过相消干涉降低光反射率（≈20%）。所设计的涂层在一个太阳下的平衡温度约77 °C，并能在约65 秒内快速除冰，涂层厚度为5µm。
模拟结果表明，将这种涂层应用于高层建筑，冬季采暖可节能约31%。此外，PDMS/SiO2 和石墨烯的组合通过协同阻燃机制显著提高了热稳定性，有效保护聚氨酯免受高温和火灾的影响，使热释放率和总热释放量分别降低了 58% 和 28%。这种创新设计增强了石墨烯的光热转换、除冰功能和阻燃性能，从而推进了其在户外设备、高层建筑和航空航天船舶中的应用。
图文导读
图1、a) 昆虫的复眼具有独特的结构，由表面的微小凹陷组成。这些凹痕利用折射率的变化来促进界面之间的光反射，从而提高昆虫对周围环境的感知敏锐度并扩大其视野。c) 石墨和石墨烯的 XRD 和 d) 拉曼曲线；e) 石墨和石墨烯的 XPS 光谱；f) 夹层式 PU/GS 的示意图，金色指 PDMS/SiO2，蓝色指 PU；g) PU/GS 涂层的光学照片。
图2、用锥形量热计测试了聚氨酯及其复合材料的燃烧行为
图3、a) 紫外线分光光度计测试得出的 PU、PU/G4 和 PU/GS4 的透射率和 b) 反射率；c) PU/G 和 PU/GS 在太阳光照射下的光热转换测试；d) 界面消除示意图；e) 红外摄像机拍摄的光热转换过程。f) 计算得出的 PU、PU/G1、PU/G4、PU/GS1 和 PU/GS4 的光热转换效率 g) 在相同环境下对 PU/GS4 重复进行的 10 次测试；h) 利用各种基底进行光热转换的最终平衡温度（通过红外摄像机记录）。
图4、a) 描述了 NaCl 液滴在热塑性聚氨酯、热塑性聚氨酯/G 和热塑性聚氨酯/GS4 表面上的移动情况。b) 通过用茶、牛奶和果汁处理热塑性聚氨酯/GS4，展示了自清洁功效测试结果。d) 展示防冰测试结果，捕捉 0.2 mL 液滴在零下 20 °C 环境中在 TPU 和 TPU/GS4 表面上的行为。） h) 将接触角、光热温度、除冰工作温度和除冰持续时间方面的研究成果与其他学者的研究成果进行比较
图5、a) The constructed building model and b) its prototype. c) The result of energy saving from EnergyPlus. The energy-saving curves of different coating materials of d) Yakutsk, e) Harbin, and f) Ottawa.
小结
这项研究受到昆虫复眼的启发，利用菲涅尔方程设计了一种防反射结构，增强了石墨烯的光热特性。通过在石墨烯表面添加 PDMS/SiO2 薄膜来防止反射造成的光损失，聚氨酯层有效地促进了热存储，从而提高了材料的整体温度。由此制成的 PU/GS4 复合材料在光热转换和除冰功效方面表现出色。当暴露在阳光下时，它能达到 77.3 °C的稳定温度，在-20 °C的环境中，厚度为 5 µm的材料能在 70 秒内迅速除冰。此外，PU/GS4 材料还能在连续 10 次测试中保持其光热效应和除冰能力而不发生退化。在高纬度地区的冬季，所开发的涂层可降低≈31%的能耗，大大减少了室内供暖所需的能源。此外，GS 涂层通过 PDMS 和石墨烯的联合阻燃作用，有效提高了聚氨酯的热安全性。受保护的聚氨酯基材的总热量释放减少了 58%，烟雾排放减少了 55%。此外，PU/GS4 复合材料对茶水、牛奶和果汁具有卓越的自清洁效果。这种涂层赋予聚氨酯出色的光热转换、除冰性能、自清洁功能和更高的热安全性，使其适用于高层建筑、户外设施和航空航天设备等多种应用。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202312083
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