调节聚多巴胺的吸收光谱

聚多巴胺 (PDA) 是一种先进的功能材料，其突现的光吸收特性使其在材料科学中的应用至关重要. 然而，由于其复杂的结构，合理设计和调节 PDA 吸收特性具有挑战性。在一份新报告中，邹远和高分子科学、光电材料和物理化学的研究人员团队提出了一种简单的方法来调节PDA的光吸收行为。为了实现这一点，他们通过特定化学部分之间的连接在微结构中构建了供体-受体对。然后，他们使用详细的结构和光谱分析以及密度泛函理论 (DFT) 模拟来确认这种供体-受体分子对的存在。分子对可以减小能带隙(或不存在电子的能隙)并增加电子离域以增强广谱光吸收。光热效应，该团队在太阳能海水淡化过程中表现出色。这项工作现在发表在Science Advances 上。

聚多巴胺

受黑色素生物大分子色素的启发，聚多巴胺(PDA) 在表面工程、光热疗法和生物成像方面的应用越来越受到关注。PDA的强粘附性和光吸收特性也有利于水修复过程中的界面工程。科学家们提出了许多合成方法来制备 PDA 纳米材料，但对调节其吸收光谱的关注有限。该多巴胺聚合过程由几个复杂的途径组成，因此尚未完全了解。结果，邹等人。假设在 PDA 纳米结构中相对于供体 - 受体对的高度共轭结构的构建可以调节样品的吸收光谱。为了在这项工作中实现这一目标，他们开发了一种一锅法合成策略来合成具有可调光吸收特性的 PDA 纳米粒子 (NPs)。

合成和表征

在合成过程中，他们在水溶液中将2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)(一种典型的硝酰基自由基)直接共聚到多巴胺上。他们通过将分子与5,6-二羟基吲哚(DHI) 和Indole-5,6-醌(IQ) 低聚物共价连接，将 TEMPO 部分掺杂到聚多巴胺微结构中以缩小能带隙材料并改善传统聚多巴胺纳米颗粒(PDA NPs)的光吸收行为。科学家们通过电化学分析、密度泛函理论模拟和光谱测量证实了结果。该工作表明该产品具有出色的光热效率，可用于界面太阳能蒸汽发电和海水淡化。

科学家们通过调整 TEMPO 的初始浓度开发了三种类型的 PDA NPs(分类在 1 到 3 之间)，它们具有不同的掺杂含量和相似的粒径。他们使用成熟的方法在铵存在下通过多巴胺的自聚合合成了传统的 PDA NP 。他们使用扫描电子显微镜、动态光散射和傅里叶变换红外光谱(FTIR)观察了所得 PDA 样品的特征。使用X 射线光电子能谱(XPS)，他们证实了所有 PDA 样品中都存在碳、氮和氧元素，这突出了 TEMPO 掺杂的 PDA NP 的成功制备。根据结果，Zou 等人。假设形成交联大分子结构的两种可能途径。

TEMPO 掺杂的 PDA 增强的光吸收和光热行为。

该团队研究了这些掺杂 TEMPO 的 PDA NPs 的光吸收能力和总光热效应，其中该产品通过捕获太阳能并将其有效地转化为热能并具有广泛的应用来强烈吸收光。在进一步的测试中，他们将 PDA-3 以几种浓度分散在水中，用于激光照射。与许多其他出色的光热材料相比，TEMPO 掺杂的 PDA NPs 表现出更好的光热行为。例如，邹等人。注意到金纳米粒子如何在长期照射后由于实验条件的伴随热量导致结构破坏而遭受光吸收的大量损失。该团队对比展示了与传统光热纳米材料相比，TEMPO 掺杂的 PDA NPs 如何保持增强的光吸收能力和改善的光热行为。由此产生的材料可以作为新一代光热剂来完成各种应用。

TEMPO掺杂PDA的结构及吸收特性调控分析

科学家们注意到，由于聚合过程中 TEMPO 与 DHI、IQ 及其低聚物之间的化学共轭，在基于 TEMPO 的 PDA 系统中自发形成供体-受体微结构。该反应有助于降低能带隙并增强产品的光吸收。为了验证这一点，他们计算了水溶液形式的不同 PDA 样品的光学带隙值以及电化学循环伏安法(CV)，以研究所有样品的能带隙。他们建立了最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO) 使用 CV 测量并建立 TEMPO 单元作为供体片段。随着 TEMPO 掺杂浓度的增加，IQ 部分的比例也逐渐增加，导致电子更好的离域，以改善光吸收。该团队假设在 PDA 合成过程中通过 TEMPO 掺杂增加了自由基，他们使用电子顺磁共振(EPR) 测量进行了测试和验证。由于激子诱导吸收 (EIA) 光谱不依赖于掺杂形成化合物的 TEMPO 量，因此该团队广泛地将其归因于其附加成分(如 DHI、IQ)中存在激子。

海水淡化的应用

基于 TEMPO 的 PDA 优异的光热和光吸收特性使该材料非常适合用于水蒸汽产生和海水淡化。在各种样本中，Zu 等人。选择 PDA-3 作为开发蒸发装置的最有希望的候选者。为了实现这一点，他们沉积了 PDA-3水溶液在纤维素膜上作为亲水性光吸收剂，并通过使用聚苯乙烯等隔热层防止与水直接接触。当邹等人。将实验装置暴露在太阳辐射下，他们通过从太阳蒸汽中收集冷凝水来净化水。与对照样品相比，PDA-3 涂层纤维素膜显示出更好的光吸收。该构造吸收了紫外线和可见光区域的大部分太阳能。为了了解太阳能蒸汽的产生和光热蒸发性能，他们测量了蒸发过程中水的重量损失，并将能量转换效率视为一个重要指标。结果表明该设备在高效和持久活动的同时进行脱盐的可行性。

通过这种方式，Yuan Zou 及其同事提出了一种在多巴胺和 TEMPO 存在下的一锅聚合过程中调节聚多巴胺 (PDA) 吸收光谱的简单方法。由于PDA系统中的供体-受体结构，与传统的PDA纳米材料相比，所得纳米颗粒具有改进的光吸收能力和光热效应。当他们将所得的基于 TEMPO 的 PDA 涂覆在纤维素膜上时，该结构充当了适合水蒸发的日光吸收剂，具有高太阳能转换效率和出色的蒸发率。这项工作将为适用于光收集应用的结构和功能 PDA 纳米材料提供新的机会。

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