聚多巴胺是一种多功能的仿生高分子材料。聚多巴胺一方面具有类似于天然黑色素的宽带光吸收性能，另一方面又对多种固体材料的表面具有非选择性的强黏附特性，可模拟软体动物所分泌的吸附蛋白的功能。用聚多巴胺胶体粒子做为贵金属纳米催化剂的载体， 不仅可以使超小尺寸的金属纳米颗粒均匀稳定地分散在载体表面，而且材料的催化效率还可以通过光热传导而得到进一步的提升。
近日，美国南卡罗来纳大学(University of South Carolina)王辉教授课题组将聚多巴胺所特有的宽带光吸收、高效光热转化和表面黏附的功能相结合，成功把亚微米尺度的聚多巴胺胶体粒子发展为金属钯纳米催化剂的载体，从而在可见和近红外光照射条件下充分利用光热效应来增强异相催化反应的动力学。
在弱碱性的水相环境中，多巴胺单体于室温下就可以发生自聚合反应，从而形成单分散的聚多巴胺球形胶体颗粒。通过调节多巴胺单体的浓度，可以对聚多巴胺胶体颗粒的尺寸在亚微米尺度上(100-500纳米范围内)进行精准的调控。不同尺寸的聚多巴胺胶体颗粒在紫外、可见和近红外区均有光吸收，吸光度随光波长的增大而逐渐衰减，与太阳光的谱学特征完全吻合。在整个紫外、可见和近红外波段内，聚多巴胺颗粒都是高性能的光吸收材料，来自光散射的干扰几乎可以忽略不计。因此聚多巴胺是一种高效的宽带光热转化材料，其光热转换效率是衡量其光热性能的重要指标。以445纳米，520纳米，638纳米和785纳米的单色连续波激光作为光源，聚多巴胺胶体颗粒可以有效地将光能转化为热能，其最佳光热转化效率可以达到45%左右。受益于聚多巴胺特有的表面粘性，面心立方晶相的金属钯纳米颗粒(直径为5纳米左右) 可以均匀稳定地分散在聚多巴胺粒子表面。钯纳米粒子本身也具有一定的光热转化性能，但主要的光热效应来源于聚多巴胺载体。
基于聚多巴胺的出色的光热转化性能和金属钯的催化活性，此项工作选用对硝基苯酚在甲酸铵作用下的转移氢化反应作为一个范例来研究光热转换对异相催化过程的增强效应。时间分辨的紫外-可见吸收光谱测量结果提供了关于该反应的详细的动力学信息。研究结果表明此催化反应在室温下(22℃)非常缓慢，但是其反应速率随温度升高而显著提高。根据阿伦尼乌斯公式，此反应在无光照的条件下活化能为40.1 + 2.96 KJ· mol-1 。
基于反应速率明显受控于温度的原理，对该反应的动力学调控可以通过光热转化来实现。除传统的加热方法外，反应体系的温度还可以通过聚多巴胺的光热转化来精确控制。以785纳米波长的激光作为光源，反应体系的热平衡温度随入射光强度增强而升高。因此光照下的该反应随入射光强度增强而显著加快。光照条件下的反应活化能为43.7 ± 2.11 KJ· mol-1，与暗反应的活化能基本保持一致。这表明动力学的增强主要源自聚多巴胺的光热效应，而不是其他光化学反应过程造成的影响。在445纳米，520纳米及638纳米波长的光源照射下，均可通过光热效应来实现对异相催化反应过程的精确动力学控制。
此项工作表明聚多巴胺即可作为贵金属纳米催化剂的载体，又可通过光热效应使贵金属纳米催化剂的性能得到进一步提升，充分展示了聚多巴胺胶体粒子在异相催化和能量转换领域里的多功能性和巨大的应用前景。
本文第一作者为南卡罗来纳大学化学和生物化学系博士研究生王子欣，论文通讯作者是南卡罗来纳大学化学和生物化学系王辉教授。王教授课题组长期致力于纳米光学、表面增强光谱和纳米颗粒表面分子动态行为的研究。此项工作得到了美国化学会石油研究基金(American Chemical Society Petroleum Research Fund)的资助。此工作中所涉及的偏振共振同步光谱研究是与密西西比州立大学(Mississippi State University)张栋茂教授课题组合作完成的。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c03183
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