SiO?/银量子点复合涂层的制备：用于协同实现被动防冰、主动除冰及防腐蚀保护

《Surfaces and Interfaces》：Fabrication of SiO 2/Silver Quantum Dots Composite Coatings for Synergistic Passive Anti-Icing, Active De-Icing and Corrosion Protection

防冻融涂层设计及性能验证：本研究通过溶胶-凝胶法结合原位化学还原法制备了SiO?/AgQDs复合防冻融涂层。涂层具有超疏水性（接触角163.2°），显著延长结冰时间（较裸铝提高10倍），在光照下表面温度达90.7℃（120秒内），实现44秒快速除冰，同时腐蚀电流密度最低（0.062 mA/cm2），验证了AgQDs在光热表面应用中的高效性与耐腐蚀性，为极寒高湿环境输电设备防护提供新方案。

　　

刘兆伟|刘泽忠|张宇|钟鹏娇|唐晨|吴涛|唐玉飞

摘要

在寒冷气候条件下，输电线路表面的结冰对电网安全构成严重威胁，而传统的防/除冰策略受到高能耗、低除冰效率和复杂维护要求的限制。为了解决这些问题，通过原位化学还原结合溶胶-凝胶工艺，在铝合金基底上制备了一种具有优异防冰性能的SiO₂/AgQDs防/除冰复合涂层。优化的MS/Ag-75涂层表现出超疏水性，水接触角为163.2°，这赋予了表面出色的自清洁和抗污染能力，同时将液滴冻结时间延长至489秒，大约是裸铝的十倍。得益于纳米SiO₂的光捕获结构和AgQDs介导的局域表面等离子体共振（LSPR）的协同效应，该涂层在光照120秒内温度即可达到90.7°C，仅需44秒即可完全去除冰层。重要的是，该涂层还显示出最低的自腐蚀电流密度（I_corr=0.062168 mA/cm²），证实了其增强的耐腐蚀性。本研究验证了AgQDs在创建高性能光热表面方面的显著优势，并阐明了集成的防冰、除冰和防腐机制，提供了一种低成本、高性能的设计范式，具有广泛的应用潜力和重要的实际意义。

引言

由于铝合金具有出色的电导率、低密度和优异的耐腐蚀性[1]，它们被广泛用作高压输电导体。然而，在寒冷和高湿度条件下，导体表面容易形成冰层，从而导致导体跳闸、绝缘击穿和机械过载[2,3]。传统的除冰方法——热熔化、化学除冰剂和超疏水表面——在一定程度上可以减轻冰层积聚。然而，这些方法存在能耗过高、金属腐蚀严重和耐久性差的问题，并且无法满足高湿度和快速变化环境的严格要求，从而无法满足实际工程应用的需求[4,5]。

为了弥补传统除冰方法的不足，研究人员开始探索具有“防冰和除冰”双重功能的光热超疏水复合涂层[6,7]。由于这些涂层响应迅速、能耗低且耐久性优异，它们被认为是极端环境下的关键表面保护技术[8,9]。例如，Xue等人[10]将黑色素纳米颗粒与氟化改性SiO₂混合，制备出的涂层最高表面温度可达82.9°C，冻结时间延长了4.8倍。Zhang等人[11]设计了一种基于Fe₃O₄的复合体系，在强酸性或碱性溶液中浸泡20天后接触角仍保持150°。该涂层的光热转换效率高达62.38%。He等人[12]开发的SiC/TiN涂层接触角为155°，具有显著的拒冰性能，并可在300秒内加热至111.8°C。这些研究充分证明了将超疏水结构与光热响应模块结合可以实现被动保护和主动除冰的双重功能，为解决结冰问题提供了新的思路。然而，目前大多数光热超疏水涂层仍局限于实验室研究，性能中等，无法直接应用于复杂的工程环境。在实际应用中，涂层需要满足更高的性能标准，以抵御潮湿和多变的气候条件。例如，在海洋环境中，氯化物离子会加速涂层老化和腐蚀，从而导致性能下降和最终失效[13,14]。因此，在涂层设计和制造过程中同时实现优异的防冰和除冰性能以及足够的耐腐蚀性已成为一个亟待解决的挑战[[15], [16], [17]]。

最近，量子点（QDs），如碳量子点和半导体量子点，由于其可调的带隙和宽吸收谱，已成为有前景的光热材料[18,19]。然而，它们在超疏水防冰涂层中的实际应用常常受到聚集引起的淬火效应和分散稳定性的影响。与这些传统量子点不同，银量子点（AgQDs）具有独特的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，可以显著提高光吸收效率。为了解决分散问题，我们提出了一种原位化学还原策略，将AgQDs固定在SiO₂结构中，从而实现光热转换和涂层耐久性的协同增强。

在本研究中，通过溶胶-凝胶工艺结合原位化学还原，在铝合金基底上制备了一种具有显著被动防冰性能的SiO₂/AgQDs防/除冰复合涂层。系统地表征了表面的形貌和成分，并进一步评估了其防冰、光热除冰和耐腐蚀性能。该涂层有效延迟了液滴冻结时间，与裸铝相比延长了近十倍。同时，由于纳米结构增强的光热效应，该表面在光照下能够在44秒内快速轻松地去除冰层。此外，该涂层还表现出良好的耐腐蚀性（R_ct=2403 Ω·cm²）。因此，本研究通过结构设计提供了一种有效的技术解决方案，实现了超疏水性、光热性能和耐腐蚀性的提升，为减少寒冷潮湿环境下的冰层积聚和提高铝合金导体的耐久性提供了实用方法。

材料

KH-550（98%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，AR）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP，98%）由中国上海阿拉丁生化科技有限公司提供。四乙基正硅酸盐（TEOS，AR）、硝酸银（AgNO₃，99.8%）、氨水溶液（AR）和环己烷（AR）由中国天津大茂化工试剂厂提供。乙醇（AR）由中国国药化学试剂有限公司提供。聚二甲基硅氧烷（PDMS A）和固化剂（PDMS B）由

涂层的微观结构和成分

图1展示了不同氨添加量制备的纳米SiO₂颗粒的SEM图像，以及在不同AgNO₃浓度下获得的MS/Ag复合材料的微观形貌。无论氨的用量如何，所有纳米SiO₂颗粒均呈现球形形态（图1(a-c)）。当使用0.5 mL氨时，观察到明显的颗粒间粘附现象，分散性较差（图1(a)）。随着氨含量的增加

结论

在这项工作中，通过基于溶胶-凝胶方法的原位化学合成，成功制备了一种高耐腐蚀性的纳米SiO₂/AgQDs超疏水防/除冰复合涂层。MS/Ag-75涂层具有分布均匀的纳米SiO₂颗粒，平均直径约为200 nm，并与基底具有牢固的界面粘附力。该涂层表现出超疏水性，水接触角为163.2°，赋予了表面

作者声明

刘兆伟：正式分析、方法论、撰写——初稿。刘泽忠：验证、研究、数据管理。张宇：数据管理、可视化。钟鹏娇：验证、研究。唐晨：数据管理。吴涛：可视化。唐玉飞：概念化、资源获取、监督、资金筹集。

CRediT作者贡献声明

刘兆伟：撰写——初稿、方法论、正式分析。刘泽忠：验证、研究、数据管理。张宇：可视化、数据管理。钟鹏娇：验证、研究。唐晨：数据管理。吴涛：可视化。唐玉飞：监督、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金（编号52502368）、陕西省杰出青年科学基金（2025JC-JCQN-003）、陕西省自然科学基础研究计划（2025JC-YBQN-689）以及陕西省教育厅资助的科学研究计划（编号25JC074）的支持。