CN109705316A - 具有高光热转换效率的人造黑色素材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有高光热转换效率的人造黑色素材料的制备方法，包括：提供多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液，记为溶液A；提供2,2,6,6‑四甲基哌啶‑1‑氧化物的水溶液或水醇溶液，记为溶液B；混合溶液A和B获得反应溶液，在室温的空气环境中搅拌反应溶液，直至反应溶液变成黑色；从黑色的反应溶液中分离出人造黑色素材料。本发明合成方法简单，所合成产物具有较高的光热转换效率，光热转换效率最高可达47％。和采用现有方法合成的产物相比，本发明合成产物对光的吸收有较大提高，光热转换效率提高近10％。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高光热转换效率的人造黑色素材料的制备方法，属于光热材料领域。
背景技术
黑色素广泛存在于生物体中，是十分重要的色素。由于它们对各个波长都有较好的吸收，本身可以抗紫外线辐射，又具有很好的光热性质，因此常被用于肿瘤治疗，海水淡化等方面应用。由于自然界的黑色素提取困难，价格昂贵，科学家们发明了人造的黑色素。人造黑色素材料(synthetic melanin material，SMM)最常见的方法是以聚多巴胺盐酸盐为单体，在氨水溶液中聚合。聚合出来的SMM具有较高的光热转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成人造黑色素材料的新方法，采用该新方法所合成的人造黑色素材料的光热转换效率得到明显提高。
为达到上述目的，本发明提供的具有高光热转换效率的人造黑色素材料的制备方法，包括：
提供多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液，记为溶液A；
提供2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)的水溶液或水醇溶液，记为溶液B；
混合溶液A和B获得反应溶液，在室温的空气环境中搅拌反应溶液进行聚合反应；
从反应后的溶液中分离出人造黑色素材料。
需要说明的是，上述多巴胺盐酸盐的水醇溶液指，多巴胺盐酸盐溶解于水和醇的混合液所获得的溶液；上述TEMPO的水醇溶液指，TEMPO溶解于水和醇的混合液所获得的溶液。
进一步的，水醇溶液中的醇为甲醇、乙醇或异丙醇。
进一步的，多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液中，多巴胺盐酸盐的浓度为0.2mg/mL-10mg/mL。
进一步的，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的水溶液或水醇溶液，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的浓度为0.1mg/mL-8mg/mL。
进一步的，混合溶液A和B所获得的反应溶液中，多巴胺盐酸盐和2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的质量比为1:40～100:1。
在进行聚合反应时，初始反应溶液在2小时内从黄色逐渐变成黑色，之后再继续反应大于2小时。
进一步的，从黑色的反应溶液中分离出人造黑色素材料，具体为：
通过对黑色的反应溶液进行离心和去离子水洗涤，从而分离出人造黑色素材料。
作为一种具体实施方式，在对黑色的反应溶液进行离心时，离心转数设置为大于8000rpm。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
(1)本发明合成方法简单，采用一锅法，将多巴胺盐酸盐和TEMPO在水或水醇混合溶液中聚合反应，对反应后溶液进行离心、洗涤，即可获得人造黑色素材料。
(2)所合成产物具有较高的光热转换效率，光热转换效率最高可达47％。和采用现有方法合成的产物相比，本发明合成产物对光的吸收有较大提高，光热转换效率提高近10％。
附图说明
图1为本发明合成原理示意图；
图2为实施例1所合成人造黑色素材料的SEM图；
图3为实施例1和实施例2所合成产物的归一化紫外-可见光吸收图；
图4为实施例1和实施例2所合成产物在近红外激光照射下温度随时间的变化曲线，即降温曲线；
图5为从图4所示降温曲线得到的时间/-lnθ线性拟合曲线，其中，图(a)为实施例1合成产物对应的线性拟合曲线，图(b)为实施例2合成产物对应的线性拟合曲线。
具体实施方式
参见图1，本发明方法采用TEMPO作为氧化剂，以多巴胺盐酸盐作为单体，在水或水醇的混合溶液中进行聚合反应，通过对反应后溶液进行离心和去离子水洗涤，得到人造黑色素材料。所合成的人造黑色素材料粒径可在50nm-500nm范围内调节，且具有较高的光热转换效率。
下面将结合实施例对本发明技术方案及有益效果进行详细描述，但是本领域技术人员将理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
将200mg多巴胺盐酸盐完全溶解于50ml去离子水中；同时，将400mg TEMPO完全溶解于50ml去离子水中。将两种溶液混合，并在空气环境中，在室温下磁力搅拌12小时，获得黑色的反应溶液。之后，对黑色的反应溶液离心分离出人造黑色素材料，并用去离子水洗涤三次，所得产物记为SMM。图2所示为本实施例所合成产物的SEM图。
实施例2
本实施例为采用现有方法合成人造黑色素粒子的实施例。
将纯度为98％的500mg多巴胺盐酸盐溶于水醇混合液中，在空气环境中，在室温下磁力搅拌10min。之后，将质量浓度为25wt％-28wt％的2.0mL氨水溶液注入多巴胺盐酸盐溶液中进行聚合反应，氨水溶液注入后盐酸多巴胺溶液立即变为棕色，并在30分钟内逐渐变为黑色。聚合反应12小时后，对反应溶液离心分离出人造黑色素材料，并用去离子水洗涤三次，最终产物记为对比样SMM-0。本实施例中水醇混合液由100ml去离子水和40ml乙醇混合获得。
图3所示为SMM和SMM-0的归一化紫外-可见光吸收图，从该图可以看出SMM对紫外-可见光的吸收强度优于SMM-0。图4所示为SMM和SMM-0在近红外激光照射下温度随时间的变化曲线，即降温曲线，近红外激光照射十分钟后关闭激光。在进行近红外激光照射时，SMM和SMM-0的浓度均为100μg/mL，从该图可以看出相同浓度和时间下，SMM可以升到比SMM-0更高的温度。图5所示为从图4所示降温曲线得到的时间/-Ln(θ)线性拟合曲线，其中图(a)和图(b)分别为SMM和SMM-0对应的线性拟合曲线，θ表示降温过程中，已经下降的温度和光照下升高的温度的比值。
本实施例中采用公式计算光热转换效率η，其中，h是传热系数，A是容器的表面积，ΔTmax是样品溶液在最高系统温度和环境周围温度之间的温度变化，QS是与溶剂的吸光度相关的热量，I是激光功率，λ是吸光度808nm。hA可使用公式计算，τS为样品系统时间常数，即图5中拟合曲线的斜率；mD和CD是溶剂(例如去离子水)的质量和热容量。经计算，SMM的光热转换效率可达47％，比SMM-0的提高了将近10％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.具有高光热转换效率的人造黑色素材料的制备方法，其特征是,包括：
提供多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液，记为溶液A；
提供2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的水溶液或水醇溶液，记为溶液B；
混合溶液A和B获得反应溶液，在室温的空气环境中搅拌反应溶液进行聚合反应；
从反应后的溶液中分离出人造黑色素材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
所述水醇溶液中醇为甲醇、乙醇或异丙醇。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液中，多巴胺盐酸盐的浓度为0.2mg/mL-10mg/mL。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的水溶液或水醇溶液，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的浓度为0.1mg/mL-8mg/mL。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
混合溶液A和B获得的反应溶液中，多巴胺盐酸盐和2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的质量比为1:40～100:1。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
在进行聚合反应时，待反应溶液从黄色逐渐变成黑色，之后再继续反应大于2小时。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
所述从黑色的反应溶液中分离出人造黑色素材料，具体为：
通过对黑色的反应溶液进行离心和去离子水洗涤，从而分离出人造黑色素材料。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：
在对黑色的反应溶液进行离心时，离心转数设置为大于8000rpm。
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