第一作者：Yuan Zou
通訊作者：李乙文
通訊單位：四川大學(xué)
本文要點：
1. 發(fā)展了一種簡單增強多巴胺光熱性能的策略。
2. 實現(xiàn)了高性能的光吸收和水蒸發(fā)性能。
作為一種生物色素，黑色素在自然界和人體中廣泛存在。愛美的人們，大抵是不想要黑色素的，然而，一些材料卻對黑色素情有獨鐘。
黑色素由于其獨特的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的抗紫外線功能，并能螯合金屬、清除自由基，甚至能調(diào)節(jié)溫度。受到自然界中黑色素和貽貝粘附蛋白的啟發(fā)，聚多巴胺近年來備受關(guān)注，在表面修飾，光熱療法和生物成像等領(lǐng)域被廣泛研究。
https://science.sciencemag.org/content/347/6224/842
圖丨黑色素衍生物在太陽光照射下的研究
研究人員還發(fā)現(xiàn)，PDA的強粘合性和吸光性有利于水修復(fù)中的界面工程，但是，由于PDA的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和共價/非共價無序相互作用，如何調(diào)節(jié)其吸收光譜并未引起足夠的注意。多巴胺的聚合過程涉及一系列復(fù)雜的途徑，包括鄰苯二酚氧化，重排，化學(xué)交聯(lián)，物理π-π堆積和陽離子-π相互作用，其中許多機制尚不完全為人所知。
是什么決定了PDA廣泛的光學(xué)吸收范圍？如何調(diào)節(jié)PDA吸收光譜，是PDA實現(xiàn)進一步應(yīng)用的關(guān)鍵阻礙！
有鑒于此，四川大學(xué)李乙文等人報道了簡單的一鍋法進行PDA結(jié)構(gòu)調(diào)控，以實現(xiàn)更優(yōu)異的光熱性能。
核心內(nèi)容
研究人員推測，PDA微結(jié)構(gòu)內(nèi)高共軛結(jié)構(gòu)和供體-受體對的構(gòu)建可能是調(diào)節(jié)PDA吸收光譜的關(guān)鍵。通過在微結(jié)構(gòu)中構(gòu)建吲哚二羥基/吲哚醌、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基之間的供體-給體對化學(xué)成鍵連接。隨后作者對其進行詳盡的結(jié)構(gòu)、光譜學(xué)分析，并用DFT計算對其分子結(jié)構(gòu)進行模擬，進一步驗證了其中的給體-供體結(jié)構(gòu)特征。作者發(fā)現(xiàn)，能壘降低，電子離域作用增強，因此材料的吸光性能提高，基于以上設(shè)計得到的PDA納米粒子在太陽能海水淡化中展現(xiàn)出較好的應(yīng)用。
01. 材料制備
在室溫中條件下，TEMPO、多巴胺在溶液中進行一鍋聚合反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)其中的TEMPO量，得到三種不同TEMPO含量的聚多巴胺。具體地，在鹽酸多巴胺的去離子水溶液中快速加入不同量的TEMPO，隨后在室溫中攪拌8~16 h，離心清洗得到產(chǎn)物。
圖1. 材料制備
02. 光吸收性能和光熱性能
其中，PDA-3材料通過635 nm、808nm光照射10 min后，分別能夠?qū)崿F(xiàn)35.3 ℃、47.8 ℃溫度提高。在2 W cm-2的808 nm光強度中進行四次光熱循環(huán)測試，顯示了較好的循環(huán)性能。
與常規(guī)的PDA納米材料相比，所得的納米材料具有更優(yōu)異的光吸收能力和總光熱效應(yīng)。研究人員認(rèn)為，這得益于PDA系統(tǒng)內(nèi)供體-受體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，使得能隙降低，電子離域增加。
此外，TEMPO的摻雜不會影響聚合物的主要結(jié)構(gòu)和光熱機理，并且在PDA系統(tǒng)中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)非熱輻射。
圖2. 增強的光熱性能
圖3. 電化學(xué)測試與DFT計算
03. 光熱水蒸發(fā)測試
研究人員將合成的摻雜PDA負(fù)載在纖維素膜上，得到雙層結(jié)構(gòu)膜用于親水性吸光材料。然后，將其與聚苯乙烯泡沫進行組裝，以避免直接接觸水，并加入棉簽用于毛細效應(yīng)傳輸水。
在1-sun照射條件下，該水蒸發(fā)裝置表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)速率：1.53 kg m-2hour-1，以及優(yōu)異的太陽能轉(zhuǎn)化效率：~88.6％。
圖4.太陽能轉(zhuǎn)換效率
圖5. 海水脫鹽性能
小結(jié)
總之，這項研究發(fā)展了一種簡單增強多巴胺光熱性能的策略，實現(xiàn)了高性能的光吸收和水蒸發(fā)性能，為水蒸發(fā)和海水淡化帶來了新的思路。
參考文獻：
YuanZou et al. Regulating the absorption spectrum of polydopamine, Science Advances2020.
DOI:10.1126/sciadv.abb4696
https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabb4696
