材料前沿最新综述精选(2017年9月第2周)

1、Nature Reviews Materials综述：多金属氧酸盐框架材料的设计与合成

图1 普通沸石框架的示意图

无机氧化物材料可用于半导体电子学，离子交换，催化，涂料，气体传感器和分离材料等方面。尽管它们的合成发展得已经较为成熟，但是由于高温加工和自上而下的合成方法所造成的稳定性不足，还需进一步研究。近日，格拉斯哥大学Leroy Cronin（通讯作者）等人描述了多金属氧酸盐（POM）簇的衍生化，这使得它们可以通过使用有机或无机接枝体组装成一系列框架。此外，自下而上的合成方法可用于制备金属氧化物框架材料，并且POM前体的特征保留在这些结构中。使用金属离子接头可以制备高度稳定的全无机骨架，其不需要有机组分。

文献链接：Design and synthesis of polyoxometalate-framework materials from cluster precursors（Nat.Rev Mater.,2017,DOI:10.1038/natrevmats.2017.54）

2、Nano Energy 综述:二氧化碳转化利用：先进材料/纳米材料，反应机理和技术

图2 二氧化碳还原反应的应用

通过CO₂转化生产有用的燃料/化学品是减少二氧化碳排放以及探索高效储能方法的有希望的途径。为了促进二氧化碳转化的研究和开发，清华大学王建晨教授、于波副教授和上海大学的张久俊教授（共同通讯）等人使用先进材料/纳米材料和对技术生产有用的燃料/化学品，对CO₂转化率作了全面概述。对CO₂的分子结构，热力学和动力学进行了回顾，介绍了基本原理，并解释了为什么C = O双键难以破坏。总结了各种转化技术的机理和特点。特别是通过比较低温和高温下的电化学转化技术，强调了中等温度下的CO₂转化率。

文献链接：Energy related CO₂ conversion and utilization: advanced materials/nanomaterials, reaction mechanisms and technologies（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.049）

3、ACS Nano综述：基于铂化学疗法的药物输送策略

图3 药物输送机理

少量化学治疗剂比如顺式二胺二氯铂（II）（CDDP）（也称为顺铂）对癌症治疗有重要的影响。作为铂类药物家族的第一个成员，CDDP可破坏DNA复制中的毒性，使得其在多药治疗中有广泛的应用，特别有益于睾丸癌患者。然而，CDDP还存在显著的副作用，比如合成剂量受限等。目前已经开发出各种策略来解决这个挑战，包括在微纳米载体内的包封以及使用外部刺激如超声波来促进摄取和释放。近日，牛津大学的 Eleanor Stride（通讯作者）等人详细论述了这些策略和最新的前沿科学和临床的进展。

文献链接：Drug Delivery Strategies for Platinum-Based Chemotherapy（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b04092）

4、Nature Reviews Materials综述：将辉碲铋矿作为热电和拓扑绝缘子

图4 M₂X₃化合物的晶体学研究

辉碲铋矿是M₂X₃化合物，其中M是第V族金属，通常是Bi或Sb，X是以菱方结构结晶的VI族阴离子，常为Te，Se或S。Bi₂Se₃, Bi₂Te₃ 和 Sb₂Te₃是典型的辉碲铋矿，M和X元素的其他混合也可产生常见的变体，如Bi₂Te₂Se。由于辉碲铋矿基于重的p区元素，强的自旋轨道耦合极大地影响了其表面和体积上的电子性质。它们的表面电子状态是拓扑绝缘子前沿工作的基石。近日，俄亥俄州立大学Joseph P. Heremans（通讯作者）等人发表综述概述了近年来在薄膜辉碲铋矿材料方面取得的进展，以优化其性能，如热电和拓扑绝缘子。

文献链接：Tetradymites as thermoelectrics and topological insulators（Nat.Rev Mater.,2017,DOI:10.1038/natrevmats.2017.49）

5、Chemical Reviews 综述：形式随从功能：纳米颗粒形状及其对纳米医学的影响

图5 病毒和细菌的各种形态

最近，在使用纳米颗粒的形状和尺寸来实现目标特异性细胞摄取机制，生物分布模式和药代动力学等方面，科研人员做出了很多努力。虽然球形脂质纳米颗粒的成功已经在世界范围内证明了化学疗法的显著疗效，但迄今为止石棉诱发的肺部疾病仍使人们对纤维材料留下深深的阴影。已知粒子形态的影响与许多物理化学参数息息相关，即大小，弹性，表面化学和生物活性。近日，弗里堡大学 Alke Petri-Fink（通讯作者）等人首先强调一些在自然界中观察到的形态，以及通过合成策略为我们所用的形状。 之后，文章讨论了通过各种理论模型了解纳米颗粒的细胞摄取，然后将其与来自体外和体内实验的观察结果进行比较。 此外，文章还讨论了纳米颗粒形状在不同大小方面对靶向，细胞毒性和细胞力学的影响。

文献链接：Form Follows Function: Nanoparticle Shape and Its Implications for Nanomedicine（Chem. Rev.,2017,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00194）

6、Chemical Society Reviews综述：柔性电子生物材料的新见解和观点

图6 生物材料柔性装置总结

生物材料具有强大的层次结构，能够具有专门的功能，并结合天然的生物活性成分，这些成分已经历了数百万年的发展。这些高效的结构设计提供了卓越的运输和机械性能，使其成为柔性电子感应技术有吸引力的候选者。近日，中科院半导体研究所沈国震研究员（通讯作者）等人全面概述了柔性电子设备生物材料的基本概念和应用，并通过描述其独特的结构和功能来讨论各类生物材料。详细讨论了生物材料的生物活性对改进性能的影响，这是由于这种效应克服了传统柔性电子器件中通常会遇到的有限生物利用度和形态等限制。

文献链接：New insights and perspectives into biological materials for flexible electronics（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C7CS00278E）

7、Chemical Society Reviews综述：超级电容器的最新进展：从新的电极材料到新颖的器件设计

图7 关于超级电容器材料和器件最新进展的概述

值得注意的是，近年来，新一代超级电容器的许多重大突破，与理论认识、材料合成和器件设计有关。近日，南京工业大学吴宇平教授、付丽君教授和湖南农业大学周清明教授（共同通讯）等人总结了超级电容器的机制，新材料和新颖设备设计的最新进展。首先，对机理的基本理解主要集中在基于一些原位表征技术和模拟电极材料的结构特性与其电化学性能之间的关系。其次，讨论了一些新兴的电极材料，包括金属 - 有机框架（MOFs），共价有机框架（COFs），MXenes，金属氮化物，黑磷，LaMnO₃和RbAg₄I₅ /石墨。第三，介绍了下一代超级电容器的设备创新。最后，展望了未来的发展并说明了面临的关键技术挑战。

文献链接：Latest advances in supercapacitors: from new electrode materials to novel device designs（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C7CS00205J）

8、Chemical Society Reviews综述：人造聚合材料中牺牲键的进展

图8 用牺牲键直接写入微结构纤维的示意图

由于打破机械性能瓶颈和扩展聚合物材料应用的潜力，在合成聚合物材料的制造中模仿天然结构已被高度追捧。最近的研究已经表明，通过牺牲键的能量消散机制是天然材料强大而强硬的重要因素之一。目前已经在由牺牲键组成的聚合材料合成方面取得了巨大进展。近日，北京化工大学张立群教授、华南理工大学郭宝春教授和法国国家科学研究中心-洛林大学胡国华教授（共同通讯）等人对以下几个方面进行了总结：（1）总结了牺牲键聚合物的力学和化学进展，（2）基于单分子力学光谱，发色团合并和本构定律的研究，描述了强化/增韧聚合物中牺牲键的机理，（3）提出包括双交联，双/多网络和牺牲界面的牺牲接合的合成方法，（4）讨论了将牺牲键加入水凝胶，仿生结构和弹性体的重要进展，（5）提出分子模拟，粘弹性，牺牲界面构建和离解温度高的牺牲键的未来工作。

文献链接：Progress in bio-inspired sacrificial bonds in artificial polymeric materials（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI: 10.1039/C7CS00276A）

9、Chemical Society Reviews综述：石墨烯在刚性和柔性基底上的直接生长：进展，应用和挑战

图9 基于CVD的石墨烯的总体生长机制图

由于其卓越的导电性，机械强度，热稳定性等，石墨烯最近引起了人们广泛的兴趣。石墨烯基器件在电子，光电和能量收集领域的应用具有很高的应用潜力。近日，成均馆大学Viet Phuong Pham、Dongmok Whang、Jae-Young Choi（共同通讯）等人介绍了各种生长策略，包括金属催化的无转移生长和石墨烯在柔性和刚性绝缘基底上的直接生长，以及用于避免导致石墨烯缺陷，残余物，裂缝和石墨烯中的性能降解的复杂转移过程。讨论了基于“直接生长石墨烯”的实际应用的最新进展。 最后，还讨论和解决了“石墨烯直接生长”商业化的几个重要方向，挑战和观点。

文献链接：Direct growth of graphene on rigid and flexible substrates: progress, applications, and challenges（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI: 10.1039/C7CS00224F）

10、Chemical Society Reviews综述：在非质子Li-O₂电池中了解Li₂O₂形成机理和最新进展

图10 Li₂O₂生长途径的示意图

由于极高的能量密度，非质子Li-O₂电池代表了有前途的电能储存替代设备。放电后，绝缘固体Li₂O₂形成在阴极表面，通常由两个生长模型，即溶液模型和表面模型控制。这些Li₂O₂生长模型可以在很大程度上决定电池性能，如放电容量和循环稳定性。近日，新加坡国立大学（苏州）研究院陈伟教授、南京大学胡征教授（共同通讯）等人概述了在Li₂O₂形成过程中发生的电化学和化学过程的最新进展。一开始讨论了氧还原机理，O₂^- / LiO₂中间体的鉴定及其对Li₂O₂形貌的影响。随后对放电电流密度和电位对Li₂O₂生长模型的影响进行了综述。然后特别着重于讨论了控制Li₂O₂生长途径的策略，包括电解质介导的策略和阴极催化剂调整策略。

文献链接：Recent advances in understanding of the mechanism and control of Li₂O₂ formation in aprotic Li–O₂ batteries（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI: 10.1039/C7CS00255F）

11、Accounts of Chemical Research综述：客体响应金属有机框架作为分离和感测应用的支架

图11 客体响应金属有机框架的应用

金属有机框架（MOFs）由于它们在各种应用中的适用性已经发展成为下一代实用型材料。其由具有多个结合位点的有机配体与金属离子/簇结合形成，这些材料在多孔材料领域已经发现了比其他同类物质更为显著的优点。近日，印度科学教育与研究所Sujit K. Ghosh（通讯作者）等人专注于基于主客体交互的两个最相关的应用，即分离和感测小分子做了详细概述。液相芳烃通过较少的能量密集吸附过程实现分离近来受到人们的关注。由于其定制的结构和功能化的孔表面，MOFs已成为分子分离中的重要候选物。配体或金属中心的精确选择实现了靶分离过程，其中分子筛选效应起到了关键作用。

文献链接：Guest-Responsive Metal–Organic Frameworks as Scaffolds for Separation and Sensing Applications（Acc. Chem. Res.,2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00151）

12、Accounts of Chemical Research综述：太阳能电池共轭聚合物氟化的新奇发现

图12 氟化对PBnDT-DTBT系列聚合物的影响

自1992年引入异质结（BHJ）的概念以来，有机太阳能电池（OSCs）一直是可再生能源领域的新星。最近的进展使OSCs的效率提高到13％以上，通过合理的材料设计和合成，精心的器件研究，取得了令人印象深刻的成就。近日，北卡罗来纳大学教堂山分校Wei You（通讯作者）等人首先讨论了受体单元氟化的影响，突出显示了最广泛使用的五个受体单元。其次，阐述了施主单元氟化的影响。并专注于氟化研究最多的四个供体单元。虽然人们还观察到供体单元氟化的器件性能增强效应，但不太清楚的是，氟是否总是会有益于OSC的效率。

文献链接：The Curious Case of Fluorination of Conjugated Polymers for Solar Cells（Acc. Chem. Res.,2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00326）

13、Accounts of Chemical Research综述：沸石中的银簇：从自组装到开拓性的发光性质

图13 在沸石中的发光Ag-CL的表征技术

由于纳米级制造和材料科学领域的巨大进步，功能银纳米簇（Ag-CL）的研究越来越多。制造小规模银簇策略的不断发展及其有趣的物理化学性质（例如分子类离散能级），使其对于从生物技术和环境科学到基础化学和物理学的各种应用研究领域非常有吸引力。近日鲁汶大学Johan Hofkens（通讯作者）等人揭示了限于沸石基质中的发光Ag-CL当前最先进的技术，强调使用组合方法来克服与其结构，电子和光致发光性质的正确表征和相关性的问题，所有这些都是为了建立开发功能性银 - 沸石基材料的重要设计原理。

文献链接：Silver Clusters in Zeolites: From Self-Assembly to Ground-Breaking Luminescent Properties（Acc. Chem. Res.,2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00295）

本文由材料人编辑部生物材料组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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