Polydopamine (PDA) is een geavanceerd functioneel materiaal en de opkomende lichtabsorptie-eigenschappen maken het cruciaal voor toepassingen in de materiaalkunde. Echter, het is een uitdaging om PDA-absorptie-eigenschappen rationeel te ontwerpen en te reguleren vanwege de complexe architectuur. In een nieuw rapport Yuan Zou en een team van onderzoekers in de polymeerwetenschap, opto-elektronische materialen en fysische chemie in China stelden een eenvoudige methode voor om het lichtabsorptiegedrag van PDA te reguleren. Om dit te bereiken, ze construeerden donor-acceptorparen in de microstructuren via verbindingen tussen specifieke chemische delen. Vervolgens gebruikten ze gedetailleerde structurele en spectrale analyse en simulaties van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om het bestaan ​​van dergelijke moleculaire donor-acceptorparen te bevestigen. De moleculaire paren zouden de energiebandkloof (of energiekloof waar geen elektronen bestaan) kunnen verkleinen en de delokalisatie van elektronen kunnen vergroten om de lichtabsorptie over een breed spectrum te verbeteren. Het rationele ontwerp van PDA-nanodeeltjes met instelbare absorptie-eigenschappen maakte een verbeterd fotothermisch effect mogelijk, die het team demonstreerde met uitstekende prestaties tijdens ontzilting op zonne-energie. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Polydopamine

Geïnspireerd door de bio-macromoleculaire pigmenten van melanine, polydopamine (PDA) krijgt steeds meer aandacht voor toepassingen in oppervlaktetechniek, fotothermische therapie en biobeeldvorming. De sterke hechtende en lichtabsorberende eigenschappen van PDA kunnen ook de grensvlakengineering ten goede komen tijdens watersanering. Wetenschappers hebben veel synthetische methoden voorgesteld om PDA-nanomaterialen te bereiden, hoewel met beperkte aandacht om het absorptiespectrum te reguleren. Het dopamine-polymerisatieproces bestaat uit verschillende gecompliceerde routes en wordt daarom niet volledig begrepen. Als resultaat, Zou et al. aangenomen dat de constructie van sterk geconjugeerde structuren ten opzichte van donor-acceptorparen in de PDA-nanostructuren het absorptiespectrum van het monster zou kunnen reguleren. Om dat in dit werk te bereiken, ze ontwikkelden een éénpotssynthesestrategie om PDA-nanodeeltjes (NP's) te synthetiseren met instelbare lichtabsorptie-eigenschappen.

Synthese en karakterisering

Tijdens het synthetische proces, ze voerden directe copolymerisatie uit van 2, 2, 6, 6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) – een typische nitroxylradicaal, op dopamine in een waterige oplossing. Ze doteerden het TEMPO-deel aan de polydopamine-microstructuur door het molecuul covalent te verbinden met 5, 6-dihydroxyindool (DHI) en indool-5, 6-chinon (IQ) oligomeren om de energiebandhiaten van het materiaal te verkleinen en het lichtabsorptiegedrag van conventionele polydopamine-nanodeeltjes (PDA NP's) te verbeteren. De wetenschappers bevestigden de resultaten met behulp van elektrochemische analyse, dichtheidsfunctionaaltheorie simulaties en spectrale metingen. Het werk toonde een uitstekende fotothermische efficiëntie aan voor het product dat kan worden gebruikt bij de opwekking van zonne-stoom en ontzilting van zeewater.

De wetenschappers ontwikkelden drie soorten PDA NP's (geclassificeerd tussen 1 en 3) met verschillende dopinggehaltes en vergelijkbare deeltjesgroottes door de initiële concentratie van TEMPO af te stemmen. Ze synthetiseerden conventionele PDA NP's door zelfpolymerisatie van dopamine in aanwezigheid van ammonium met behulp van een gevestigde methode. Ze observeerden de resulterende PDA-monsterkenmerken met behulp van scanning-elektronenmicroscopie, dynamische lichtverstrooiing en Fourier-transformatie-infraroodspectra (FTIR). Met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS), ze bevestigden het bestaan ​​van koolstof, stikstof, en zuurstofelementen in alle PDA-monsters die de succesvolle voorbereiding van met TEMPO gedoteerde PDA NP's benadrukken. Op basis van de resultaten, Zou et al. veronderstelde twee mogelijke routes om de verknoopte macromoleculaire structuur te vormen.

Verbeterde lichtabsorptie en fotothermisch gedrag van met TEMPO gedoteerde PDA's.

Het team onderzocht de lichtabsorptiecapaciteit en het totale fotothermische effect van deze met TEMPO gedoteerde PDA NP's, waar het product sterk licht absorbeerde door zonne-energie op te vangen en om te zetten in warmte-energie efficiënt met brede toepassingen. Tijdens verdere testen, ze verspreidden PDA-3 in water in verschillende concentraties voor bestraling onder lasers. In vergelijking met veel andere uitstekende fotothermische materialen, de met TEMPO gedoteerde PDA NP's vertoonden beter fotothermisch gedrag. Bijvoorbeeld, Zou et al. merkte op hoe gouden nanodeeltjes aanzienlijk verlies van lichtabsorptie konden lijden na langdurige bestraling als gevolg van structurele vernietiging via de bijbehorende hitte van de experimentele omstandigheden. Het team toonde op contrasterende wijze aan hoe met TEMPO gedoteerde PDA NP's verbeterde lichtabsorptiemogelijkheden behielden met verbeterd fotothermisch gedrag in vergelijking met conventionele fotothermische nanomaterialen. Het resulterende materiaal kan dienen als nieuwe generatie fotothermische middelen om een ​​verscheidenheid aan toepassingen te voltooien.

De wetenschappers merkten de spontane vorming van donor-acceptor-microstructuren op in het op TEMPO gebaseerde PDA-systeem als gevolg van chemische conjugatie tussen TEMPO en DHI, IQ en hun oligomeren tijdens het polymerisatieproces. Deze reactie droeg bij aan de lagere energiebandgap en verbeterde lichtabsorptie van het product. Om dit te verifiëren, ze berekenden de optische bandgap-waarde van verschillende PDA-monsters in hun waterige oplossingsvormen naast hun elektrochemische cyclische voltammetrie (CV) om energiebandgaps van alle monsters te onderzoeken. Ze stelden de hoogste bezette moleculaire orbitaal (HOMO) en de laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) vast met behulp van de CV-metingen en stelden de TEMPO-eenheid vast als een donorfragment. Naarmate de dopingconcentratie van TEMPO toenam, het IQ-deel nam ook geleidelijk toe, wat resulteert in een betere delokalisatie van elektronen voor een betere lichtabsorptie. Het team veronderstelde een toename van vrije radicalen tijdens PDA-synthese via TEMPO-doping, die ze hebben getest en geverifieerd met behulp van elektronenparamagnetische resonantie (EPR) -metingen. Aangezien de exciton-geïnduceerde absorptie (EIA) spectra niet afhankelijk waren van de hoeveelheid TEMPO gedoteerd om de verbinding te vormen, het team schreef het in grote lijnen toe aan de aanwezigheid van excitonen in zijn extra bestanddelen (zoals DHI, IQ).

Toepassingen van waterontzilting

De uitstekende fotothermische en lichtabsorberende eigenschappen van op TEMPO gebaseerde PDA maakten het materiaal zeer geschikt voor toepassingen in de opwekking van waterstoom en ontzilting van zeewater. Van de verscheidenheid aan monsters, Zu et al. selecteerde PDA-3 als de meest veelbelovende kandidaat om het verdampingsapparaat te ontwikkelen. Om dit te bereiken, ze deponeerden de waterige PDA-3-oplossing op een cellulosemembraan als een hydrofiel lichtabsorberend middel en verhinderden direct contact met water door een thermische isolatielaag zoals polystyreen te gebruiken. Wanneer Zou et al. de experimentele opstelling blootgesteld aan zonnestraling, ze zuiverden water door gecondenseerd water uit de zonnestoom op te vangen. Het met PDA-3 beklede cellulosemembraan vertoonde een verbeterde lichtabsorptie in vergelijking met controlemonsters. Het construct absorbeerde het grootste deel van de zonne-energie in de UV- en zichtbare gebieden. Om zonnedampopwekking en fotothermische verdampingsprestaties te begrijpen, ze maten het gewichtsverlies van water tijdens verdamping en beschouwden de energieconversie-efficiëntie als een belangrijke index. De resultaten wezen op de haalbaarheid van het apparaat voor ontzilting naast efficiënte en duurzame activiteit.

Op deze manier, Yuan Zou en collega's stelden een eenvoudige methode voor om het absorptiespectrum van polydopamine (PDA) te reguleren in een eenpotspolymerisatieproces in aanwezigheid van dopamine en TEMPO. De resulterende nanodeeltjes hadden een verbeterd lichtabsorptievermogen en fotothermische effecten in vergelijking met conventionele PDA-nanomaterialen vanwege de donor-acceptorstructuren in het PDA-systeem. Toen ze de resulterende op TEMPO gebaseerde PDA op de cellulosefilm bekleedden, de constructie fungeerde als een zonlichtabsorbeerder die geschikt is voor waterverdamping met een hoog rendement van zonneconversie en een uitstekende verdampingssnelheid. Het werk zal nieuwe kansen bieden voor structurele en functionele PDA-nanomaterialen die geschikt zijn voor lichtoogsttoepassingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk