Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Regulering af absorptionsspektret af polydopamin

Syntese og karakterisering af TEMPO-doteret PDA. (A) Skematisk illustration af den TEMPO-doterede PDA med smallere båndgab og forbedret lysabsorptionsevne sammenlignet med konventionel PDA. (B) Polymerisering af dopamin og TEMPO, sammen med deres molekylære strukturer og pulverfotografier. (C) SEM-billede af PDA-3. (D) EELS kortlægningsanalyse af PDA-3 (skala søjler, 100 nm). (E) XPS-undersøgelsesspektre for PDA-i (i =0 til 3). a.u., vilkårlige enheder. (F) C 1s toppe, (G) N 1s toppe, og (H) O1s-toppe i XPS-spektre af PDA-3. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb4696

Polydopamin (PDA) er et avanceret funktionelt materiale, og dets nye lysabsorberende egenskaber gør det afgørende for anvendelser inden for materialevidenskab. Imidlertid, det er udfordrende at designe og regulere PDA-absorptionsegenskaber rationelt på grund af dens komplekse arkitektur. I en ny rapport, Yuan Zou og et team af forskere inden for polymervidenskab, optoelektroniske materialer og fysisk kemi i Kina foreslog en simpel metode til at regulere lysabsorptionsadfærden af ​​PDA. For at opnå dette, de konstruerede donor-acceptor-par i mikrostrukturerne via forbindelser mellem specifikke kemiske dele. De brugte derefter detaljeret strukturel og spektral analyse samt densitet funktionel teori (DFT) simuleringer for at bekræfte eksistensen af ​​sådanne donor-acceptor molekylære par. Molekylparrene kunne mindske energibåndgabet (eller energigabet, hvor der ikke eksisterer elektroner) og øge elektrondelokaliseringen for at øge lysabsorptionen over et bredt spektrum. Det rationelle design af PDA-nanopartikler med justerbare absorptionsegenskaber tillod en forbedret fototermisk effekt, hvilket holdet demonstrerede med fremragende præstationer under solafsaltning. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Polydopamin

Inspireret af de bio-makromolekylære pigmenter af melanin, polydopamin (PDA) har fået stigende opmærksomhed for applikationer inden for overfladeteknik, fototermisk terapi og bioimaging. PDA's stærke klæbende og lysabsorberende egenskaber kan også gavne grænsefladeteknik under vandrensning. Forskere har foreslået mange syntetiske metoder til fremstilling af PDA nanomaterialer, dog med begrænset opmærksomhed på at regulere dets absorptionsspektrum. Dopaminpolymerisationsprocessen er sammensat af flere komplicerede veje og er derfor ikke fuldt ud forstået. Som resultat, Zou et al. antog, at konstruktionen af ​​stærkt konjugerede strukturer i forhold til donor-acceptor-par i PDA-nanostrukturerne kunne regulere prøvens absorptionsspektrum. For at opnå det i dette arbejde, de udviklede en one-pot syntesestrategi til at syntetisere PDA-nanopartikler (NP'er) med justerbare lysabsorptionsegenskaber.

Syntese og karakterisering

Under synteseprocessen, de udførte direkte copolymerisation af 2, 2, 6, 6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO) – et typisk nitroxylradikal, på dopamin i en vandig opløsning. De dopede TEMPO-delen til polydopamin-mikrostrukturen ved kovalent at forbinde molekylet med 5, 6-dihydroxyindol (DHI) og indol-5, 6-quinon (IQ) oligomerer for at indsnævre energibåndsmellemrummene i materialet og forbedre lysabsorptionsadfærden af ​​konventionelle polydopaminnanopartikler (PDA NP'er). Forskerne bekræftede resultaterne ved at bruge elektrokemisk analyse, tæthedsfunktionsteoretiske simuleringer og spektralmålinger. Arbejdet demonstrerede en enestående fototermisk effektivitet for produktet, der kan bruges til generering af grænsefladesolardamp og afsaltning af havvand.

Foreslåede reaktionsveje og dannelse af mellemprodukter under polymerisationen af ​​dopamin og TEMPO. (a) Foreslåede reaktionsveje og mekanisme under polymerisationen af ​​dopamin og TEMPO. (b) ESI-MS-spektrum af råproduktopløsningen efter 5 minutters reaktion; (c) Foreslåede mellemliggende molekylære strukturer tildelt hovedtoppe i (b). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb4696

Forskerne udviklede tre typer PDA NP'er (klassificeret mellem 1 til 3) med forskelligt dopingindhold og lignende partikelstørrelser ved at justere den indledende koncentration af TEMPO. De syntetiserede konventionelle PDA NP'er gennem selvpolymerisering af dopamin i nærvær af ammonium ved hjælp af en veletableret metode. De observerede de resulterende PDA-prøvekarakteristika ved hjælp af scanningselektronmikroskopi, dynamisk lysspredning og Fourier-transformation infrarøde spektre (FTIR). Ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), de bekræftede eksistensen af ​​kulstof, nitrogen, og oxygenelementer i alle PDA-prøver, der fremhæver den vellykkede forberedelse af TEMPO-dopede PDA NP'er. Baseret på resultaterne, Zou et al. hypotese to mulige veje til at danne den tværbundne makromolekylære struktur.

Forbedret lysabsorption og fototermisk opførsel af TEMPO-doterede PDA'er.

Holdet undersøgte lysabsorptionskapaciteten og den totale fototermiske effekt af disse TEMPO-dopede PDA NP'er, hvor produktet kraftigt absorberede lys ved at fange og omdanne solenergi til varmeenergi effektivt med vidtspændende applikationer. Under yderligere tests, de spredte PDA-3 i vand i flere koncentrationer til bestråling under lasere. Sammenlignet med mange andre fremragende fototermiske materialer, de TEMPO-doterede PDA NP'er viste bedre fototermisk adfærd. For eksempel, Zou et al. bemærkede, hvordan guldnanopartikler kunne lide betydeligt tab af lysabsorbans efter langvarig bestråling på grund af strukturel ødelæggelse via den medfølgende varme fra de eksperimentelle forhold. Holdet demonstrerede modsat, hvordan TEMPO-dopede PDA NP'er opretholdt forbedrede lysabsorptionsevner med forbedret fototermisk adfærd sammenlignet med konventionelle fototermiske nanomaterialer. Det resulterende materiale kan tjene som ny generation af fototermiske midler til at fuldføre en række forskellige anvendelser.

Forbedret lysabsorption og fototermisk opførsel af TEMPO-doteret PDA. (A) Fotografier af PDA vandige opløsninger med en koncentration på 50 og 100 μg ml−1. Billedkredit:Yuan Zou, Sichuan Universitet. (B) L*-værdier for forskellige vandige PDA-opløsninger. (C) UV-vis-NIR-spektre af PDA-i (i =0 til 3) i området fra 300 til 1500 nm. (D) Temperaturstigninger af PDA-3 ved forskellige koncentrationer under 808-nm laserbestråling. (E) Den fototermiske respons af PDA-i (i =0 til 3) vandige opløsninger (100 μg ml−1) i 600 s med 808-nm laserbestråling, og så blev laseren slukket. (F) Temperaturkurver for PDA-3 (100 μg ml-1) under fire tænd/sluk-cyklusser og under 808-nm laserbestråling. Lysintensiteten af ​​808-nm laser var 2,0 W cm−2. (G) Molær ekstinktionskoefficient, ΔT, og total fototermisk effektivitet af PDA-i (i =0 til 3). Billedkredit:Yuan Zou, Sichuan Universitet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb4696

Analyse af strukturen og absorptionsegenskabsreguleringen af ​​TEMPO-doteret PDA

Forskerne bemærkede den spontane dannelse af donor-acceptor-mikrostrukturer i det TEMPO-baserede PDA-system på grund af kemisk konjugation mellem TEMPO og DHI, IQ og deres oligomerer under polymerisationsprocessen. Denne reaktion bidrog til det lavere energibåndgab og forbedrede lysabsorption af produktet. For at bekræfte dette, de beregnede den optiske båndgab-værdi af forskellige PDA-prøver i deres vandige opløsningsformer sammen med deres elektrokemiske cykliske voltammetri (CV) for at undersøge energibåndgab for alle prøver. De etablerede den højeste besatte molekylære orbital (HOMO) og den laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO) ved hjælp af CV-målingerne og etablerede TEMPO-enheden som et donorfragment. Efterhånden som dopingkoncentrationen af ​​TEMPO steg, IQ-delen steg også gradvist, hvilket resulterer i bedre delokalisering af elektroner for forbedret lysabsorption. Holdet antog en stigning i frie radikaler under PDA-syntese via TEMPO-doping, som de testede og verificerede ved hjælp af elektron paramagnetisk resonans (EPR) målinger. Da de exciton-inducerede absorptions (EIA) spektre ikke var afhængige af mængden af ​​TEMPO dopet til at danne forbindelsen, holdet krediterede det bredt for tilstedeværelsen af ​​excitoner i dets yderligere bestanddele (såsom DHI, IQ).

Lysenergikonverteringsprocessen i PDA. (A) EPR-spektre af PDA-i (i =0 til 3) med samme masse i faste tilstande. (B) Forbigående absorptionskinetikspor for PDA-i (i =0 til 3). (C) Transient absorptionsspektre af PDA-3 ved angivne forsinkelsestider. (D) EIA kinetisk spor af PDA-3. mOD, middel optisk tæthed. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb4696

Anvendelser af vandafsaltning

De fremragende fototermiske og lysabsorberende egenskaber af TEMPO-baseret PDA gjorde materialet velegnet til anvendelser inden for vanddampgenerering og havvandsafsaltning. Af de mange forskellige prøver, Zu et al. valgt PDA-3 som den mest lovende kandidat til at udvikle fordampningsanordningen. For at opnå dette, de afsatte den vandige PDA-3-opløsning på en cellulosemembran som en hydrofil lysabsorber og forhindrede direkte kontakt med vand ved at bruge et termisk isoleringslag såsom polystyren. Når Zou et al. udsatte forsøgsopstillingen for solbestråling, de rensede vand ved at opsamle kondenseret vand fra soldampen. Den PDA-3-coatede cellulosemembran viste forbedret lysabsorption sammenlignet med kontrolprøver. Konstruktionen absorberede størstedelen af ​​solenergien i de UV- og synlige områder. For at forstå soldampgenerering og fototermisk fordampningsydelse, de målte vægttabet af vand under fordampning og betragtede energikonverteringseffektiviteten som et vigtigt indeks. Resultaterne indikerede gennemførligheden af ​​enheden til afsaltning sammen med effektiv og holdbar aktivitet.

Forsøg med afsaltning af vand. (A) Et skematisk diagram af soldampfordampningsanordningen baseret på PDA-3. (B) Fotografi af CM og PDA-3-coated CM. (C) SEM-tværsnitsbillede af den dobbeltlagede filmstruktur. (D) UV-vis-NIR diffuse reflektionsspektre af CM og PDA-3-coated CM i bølgelængdeområdet 250 til 2500 nm. (E) IR-billede af PDA-3-baseret enhed under én sol i 15 min. (F) Tidsforløb for vandfordampningsydelser for saltvand, CM, og PDA-3-coated CM under én solbestråling. (G) Solar damp effektivitet og fordampningshastighed af saltvand, CM, og PDA-3-belagt CM. (H) Fotografi af vanddampen genereret under solbelysning af fire sole med PDA-3-coated CM. (I) Ionkoncentrationen af ​​saltvand og havvand opnået fra Bohai Bay før og efter afsaltning. De stiplede linjer henviser til standarden for drikkevand fra Verdenssundhedsorganisationen (WHO) og U.S. Environmental Protection Agency (EPA), henholdsvis. (J) Fordampningscyklus ydeevne af solafsaltningsanordninger over 30 cyklusser, med hver cyklus i mere end 1 time. Indsatsen viste fotografiet af absorberen efter 30 cyklusser. (K) Fordampningshastighed blandt forskellige PDA-baserede fordampere under en-sols belysning. PVDF, polyvinylidendifluorid. Billedkredit:Yuan Zou, Sichuan Universitet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb4696

På denne måde Yuan Zou og kolleger foreslog en simpel metode til at regulere absorptionsspektret af polydopamin (PDA) i en one-pot polymerisationsproces i nærværelse af dopamin og TEMPO. De resulterende nanopartikler havde forbedret lysabsorptionsevne og fototermiske effekter sammenlignet med konventionelle PDA-nanomaterialer på grund af donor-acceptor-strukturerne i PDA-systemet. Da de belagde den resulterende TEMPO-baserede PDA på cellulosefilmen, Konstruktionen fungerede som en sollysabsorber egnet til vandfordampning med en høj effektivitet af solkonvertering og fremragende fordampningshastighed. Arbejdet vil byde på nye muligheder for strukturelle og funktionelle PDA-nanomaterialer, der er egnede til lys-høstningsapplikationer.

© 2020 Science X Network




Varme artikler