光热转换是一种将光能转化为热能的过程，在环境治理、能源开发和医学应用等领域具有重要价值。这一过程高度依赖于具备强光吸收能力和高效光热转换性能的材料。金纳米粒子（AuNCs）凭借其卓越的表面等离子共振（LSPR）特性、宽光谱吸收能力、快速光响应以及高效热产生能力，在太阳能收集、癌症治疗和光催化等领域展现出巨大的应用潜力。然而，由于高表面能引发的团聚效应，AuNCs的性能往往迅速下降，如何精准合成AuNCs并提升其稳定性和光热性能仍是一项重大挑战。

图1. 使用各种方法稳定的AuNCs和超蕃分子笼稳定的AuNCs（本工作）

  近日，湖南大学何清教授团队在铁蛋白分子的启发下，开发了一种具有准封闭内腔的超蕃分子笼TBN-Superphane（图1e），可有效防止AuNCs的聚集。超蕃与Au³⁺结合并原位还原后，得到的AuNCs（Au₁₈）具有均一的尺寸分布和优异的稳定性。固态AuNCs@ TBN-Superphane表现出快速的光响应、高光热转化能力和稳定性，808 nm下的光热转换效率可达92.8%。一个标准太阳光下的水蒸发速率达2.35 kg m^-2 h^-1，太阳能蒸汽效率为95.1%，同时具有优异的耐盐性，在实际海水蒸发中性能依旧得到保持。这是首个利用分子笼稳定金纳米团簇（AuNCs）并应用于光热转化的实例，其光热转换效率和太阳能蒸汽生成速率接近文献报道的最高水平。该结构不仅为精确调控超稳定AuNCs的制备提供了高效策略，并展示了其在光热转化领域的优越性能，更突出了其在能源与环境应用中的潜力。这一突破为开发下一代清洁水生产和可再生能源收集材料奠定了基础。 

图2. 超蕃TBN-Superphane的合成路线和(S)-TBN-Superphane的晶体结构

作者基于联萘单元，制备出具有噻吩基团的醛类前体，通过动态共价键合成了超蕃分子笼(R)/(S)–TBN–Superphane（图2），有机溶液中的不对称因子可达4.6 × 10⁻³。晶体结构显示(R)/(S)–TBN–Superphane具有近乎完美的镜像对称结构和近乎封闭的空腔，内部具有多达36个金属配位位点，能对Au³⁺进行有效结合。还原后得到具有较窄尺寸分布的AuNCs@TBN–Superphane（4.03 ± 0.20 nm），符合晶体结构中二聚体尺寸，室温下能稳定5个月以上不聚集。XPS证明Au³⁺被有效且完全还原，EDS、FTIR、¹H NMR等均表明TBN–Superphane对AuNCs完全包裹。ESI–MS中[M + 6 H₂O + 3 MeOH + Au₁₈ + 7 H⁺]⁷⁺的出峰表明AuNCs@TBN–Superphane中超蕃笼以亚胺形式存在，笼内18个金原子聚集形成Au₁₈簇。优化后的结构显示，18个金原子的聚集体完全与TBN–Superphane的中心空腔相匹配，直径约为19.96 Å，与高分辨TEM观察结果完全一致。这些发现证实了金纳米团簇在TBN–Superphane框架内的成功封装，产生了分子精确且几乎孤立的纳米结构——类似于由铁蛋白封装的铁团簇。

图3. AuNCs@TBN-Superphane的制备、相关表征和理论模拟

图4. AuNCs@TBN-Superphane光热性能测试

AuNCs@TBN–Superphane的固体紫外光谱表明其具有优异的光吸收能力（图3）。激光（808 nm，0.5 W/cm²）照射下展现出快速的光响应和热转化能力，3 s内即可升温至120˚C，15 s内稳定在150˚C，激光关闭后20 s内迅速降至室温。表面温度和激光功率呈正相关，20次循环照射光热性能不发生下降，光热转换效率为92.8%，其效率和耐久性超过了大多数光热材料。进一步将AuNCs@TBN–Superphane用于太阳能制汽和海水净化。在一个标准太阳光照射下具有2.35 kg m^-2 h^-1的水蒸发速率和95.1%的太阳能蒸汽速率，具有优异的稳定性和耐盐性，即使在海水中20次蒸发循环性能也不发生下降。作者使用简易装置测试了其在真实环境中的海水净化能力。AuNCs@TBN–Superphane展示出16.82  kg·m^-2（太阳光照8 h）的总淡水产量，收集得的淡水符合WTO饮用水标准。

图5. 自然环境下AuNCs@TBN–Superphane海水净化性能测试

总之，本文通过动态亚胺共价策略，开发了一种具有近乎封闭空腔的超蕃分子笼TBN-Superphane，能够稳定金纳米簇(AuNCs)，具有优异的尺寸控制和稳定性，有效防止了金纳米团簇的聚集，确保了尺寸的均匀性和长期稳定性。具有快速光响应和光热转换能力，激光照射下的光热转换性能可达92.8%（808 nm，0.5 W/cm²），一个标准太阳光下的水蒸发速率为2.35 kg m^-2 h^-1，太阳能蒸汽效率达95.1%，海水中循环蒸发20次性能不发生下降。这些发现为金纳米簇的封装和开发其在能源转换和海水净化中的能力提供了一种可持续的解决方案，以应对清洁能源和淡水生成方面的全球挑战。

详见：Ferritin–Inspired Encapsulation and Stabilization of Gold Nanoclusters for High–Performance Photothermal Conversion. Yi Zhang, Juan Zhou, Ke Luo, Wei Zhou, Fei Wang*, Jialian Li*, and Qing He*. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202500058. DOI: 10.1002/anie.202500058.

原文链接： https://doi.org/10.1002/anie.202500058