四川大学李乙文Science Advances：让多巴胺再黑一点，光热淡化海水新思路！

纳米技术

2020-09-11

第一作者：Yuan Zou

通讯作者：李乙文

通讯单位：四川大学

本文要点：

1. 发展了一种简单增强多巴胺光热性能的策略。

2. 实现了高性能的光吸收和水蒸发性能。

作为一种生物色素，黑色素在自然界和人体中广泛存在。爱美的人们，大抵是不想要黑色素的，然而，一些材料却对黑色素情有独钟。

黑色素由于其独特的结构，具有优异的抗紫外线功能，并能螯合金属、清除自由基，甚至能调节温度。受到自然界中黑色素和贻贝粘附蛋白的启发，聚多巴胺近年来备受关注，在表面修饰，光热疗法和生物成像等领域被广泛研究。

https://science.sciencemag.org/content/347/6224/842

图丨黑色素衍生物在太阳光照射下的研究

研究人员还发现，PDA的强粘合性和吸光性有利于水修复中的界面工程，但是，由于PDA的结构异质性和共价/非共价无序相互作用，如何调节其吸收光谱并未引起足够的注意。多巴胺的聚合过程涉及一系列复杂的途径，包括邻苯二酚氧化，重排，化学交联，物理π-π堆积和阳离子-π相互作用，其中许多机制尚不完全为人所知。

是什么决定了PDA广泛的光学吸收范围？如何调节PDA吸收光谱，是PDA实现进一步应用的关键阻碍！

有鉴于此，四川大学李乙文等人报道了简单的一锅法进行PDA结构调控，以实现更优异的光热性能。

核心内容

研究人员推测，PDA微结构内高共轭结构和供体-受体对的构建可能是调节PDA吸收光谱的关键。通过在微结构中构建吲哚二羟基/吲哚醌、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基之间的供体-给体对化学成键连接。随后作者对其进行详尽的结构、光谱学分析，并用DFT计算对其分子结构进行模拟，进一步验证了其中的给体-供体结构特征。作者发现，能垒降低，电子离域作用增强，因此材料的吸光性能提高，基于以上设计得到的PDA纳米粒子在太阳能海水淡化中展现出较好的应用。

01. 材料制备

在室温中条件下，TEMPO、多巴胺在溶液中进行一锅聚合反应，通过调节其中的TEMPO量，得到三种不同TEMPO含量的聚多巴胺。具体地，在盐酸多巴胺的去离子水溶液中快速加入不同量的TEMPO，随后在室温中搅拌8~16 h，离心清洗得到产物。

图1. 材料制备

02. 光吸收性能和光热性能

其中，PDA-3材料通过635 nm、808nm光照射10 min后，分别能够实现35.3 ℃、47.8 ℃温度提高。在2 W cm^-2的808 nm光强度中进行四次光热循环测试，显示了较好的循环性能。

与常规的PDA纳米材料相比，所得的纳米材料具有更优异的光吸收能力和总光热效应。研究人员认为，这得益于PDA系统内供体-受体结构的构建，使得能隙降低，电子离域增加。

此外，TEMPO的掺杂不会影响聚合物的主要结构和光热机理，并且在PDA系统中几乎没有发现非热辐射。

图2. 增强的光热性能

图3. 电化学测试与DFT计算

03. 光热水蒸发测试

研究人员将合成的掺杂PDA负载在纤维素膜上，得到双层结构膜用于亲水性吸光材料。然后，将其与聚苯乙烯泡沫进行组装，以避免直接接触水，并加入棉签用于毛细效应传输水。

在1-sun照射条件下，该水蒸发装置表现出优异的蒸发速率：1.53 kg m^-2hour^-1，以及优异的太阳能转化效率：~88.6％。

图4.太阳能转换效率

图5. 海水脱盐性能

小结

总之，这项研究发展了一种简单增强多巴胺光热性能的策略，实现了高性能的光吸收和水蒸发性能，为水蒸发和海水淡化带来了新的思路。

参考文献：

YuanZou et al. Regulating the absorption spectrum of polydopamine, Science Advances2020.

DOI:10.1126/sciadv.abb4696

https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabb4696