材料前沿最新综述精选(2017年10月第1周)
1. Advanced Materials综述：高能量密度Metal–Oxygen电池: 锂氧电池 vs钠氧电池
图1. 固体催化剂的研究工作机理，促进固体催化剂的氧化。
发展高功率，高能源密度，安全的下一代能源存储设备对大型能源储存系统(ESSs)的成功至关重要。可充电的钠-氧(Na–O2)电池为低成本、高能量密度和相对高效的电化学系统提供了一个新的、有希望的机会。虽然Na–O2蓄电池的具体能量密度比锂氧(Li–O2)电池低，但在不久的将来，钠资源的丰富和低成本为其实际应用提供了重要的优势。然而，目前还没有关于电池化学的报告，来解释速率限制参数和相应的低往返效率和循环退化。因此，对锂氧和钠氧电池的反应机制的了解是必需的。从热力学和结构的角度，深入了解锂电池的不同和相似之处，将对促进先进的金属氧电池的发展有重要意义。东国大学的Yong-Mook Kang（通讯作者）对高能量密度的锂氧和钠氧电池的最先进的电池设计原则进行了深入的探讨，综述了主要缺点、反应机制以及近期的改进措施。
文章链接：High-Energy-Density Metal–Oxygen Batteries: Lithium–Oxygen Batteries vs Sodium–Oxygen Batteries (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606572)
2. Advanced Energy Materials综述：混合金属硫化物用于电化学能量储存和转化
图2. NiCo2S4纳米管阵列电化学性能图
混合金属硫化物(MMSs)作为电化学能量储存和转换系统的极好的电极材料，包括锂离子电池(锂离子电池)、钠离子电池(SIBs)、混合超级电容器(HSCs)、金属空气电池(MABs)和水裂解，吸引了人们越来越多的关注。与单金属硫化物相比，MMSs的电化学性能得到了极大的提高，这主要是由于其较高的导电性能和较丰富的氧化还原反应。浙江大学的遇鑫遥教授和南洋理工大学的楼雄文教授（共同通讯）总结了各种基于MMSs的合成和微/纳米结构的合理设计的研究进展，微纳结构研究包括控制形貌、大小和LIBs、SIBs、HSCs、MABs的成分以及水裂解。具体地说，纳米结构，纳米复合材料和碳纳米材料的复合合成，以及基于三维MMS基电极的合成，这是提高基于MMS电极材料的电化学性能的三种有效方法。
文章链接：Mixed Metal Sulfides for Electrochemical Energy Storage and Conversion (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701592)
3. Advanced Energy Materials综述：g-C3N4-基异质结构光催化剂
图3. 电荷传输机制
光催化被认为是利用太阳能解决能源和环境危机的一条很有希望的途径。 g-C3N4因其可见的光活性、低成本材料、化学稳定性和独特的分层结构而引起了全世界的关注。然而，纯的g-C3N4光催化剂仍然存在着光生成电荷载体的低分离效率，这导致了光催化活性不理想的问题。近年来，基于g-C3N4的异质结构已成为研究热点，使其具有更强的电荷载体分离效率和光催化性能。根据在g-C3N4和偶联组件之间不同光生电荷载流子不同的传输机制，g-C3N4基异质结构光催化剂可分为以下几种：g-C3N4-基传统类型 II 异质结, g-C3N4-基Z-型异质结，g-C3N4-基p–n异质结, g-C3N4/金属异质结，以及g-C3N4/碳异质结。 来自武汉理工大学的余家国教授和姜传佳教授（共同通讯）综述了近年来基于g-C3N4的异质结构光催化剂的设计及其特殊分离/转移机制的研究进展以及g-C3N4在环境和能源领域的应用。同时，对水的分解、二氧化碳的减少、污染物的降解等方面进行了说明。
文章链接：g-C3N4-Based Heterostructured Photocatalysts (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701503)
4. Progress in Polymer Science综述：通过o型杂环的环开反应:从策略设计到核酸输送应用，多用途的多羟基聚阳离子系统。
图4. 不同胺类的制备过程——功能化的PGMA载体
安全有效的载体在核酸传递过程中起着重要的作用。开环反应通常用于生产具有各种功能和特性的生物材料。与聚乙二醇等表面共轭亲水性聚合物不同，在一个聚阳离子中均匀分布的羟基组可以改善生物相容性，并有利于核酸的传递。具有均匀分布的羟基组很容易产生o形杂环单元的环开。杂环类化合物包括环酯(环氧化合物)、碳酸盐和乳酸。含羟基的多阳离子系统主要是由聚氨基乙酯(PGMA)制备的。PGMA是最常见的环氧聚合物，可通过不同胺类的环氧环开反应迅速进行改性。在不同的环氧树脂和胺基之间的环开聚合反应中也有羟基-富聚阳离子系统。另外，通过不同的o-杂环开环反应后的聚阳离子的羟化反应，可能会产生各种各样的羟基-富聚阳离子系统。近年来，研究人员研究了一类具有特殊分子和拓扑结构的羟基-富多阳离子系统，如线性、星形、梳形、超分子、支链、分层、异型纳米结构等。来自北京化工大学的徐福建教授（通讯作者）综述了近年来对羟基多阳离子系统的研究进展。详细介绍了它们的不同设计策略，包括o-杂环开环反应和独特的核酸传递应用。研究表明，羟基-富多阳离子系统已成为核酸高级多功能递送系统的多功能和强有力的候选。
文章链接：Versatile types of hydroxyl-rich polycationic systems via O-heterocyclic ring-opening reactions: from strategic design to nucleic acid delivery applications (Prog. Polym. Sci., 2017, DOI: doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2017.09.003)
5. ACS Nano综述：生物纳米科学与肿瘤纳米药物之间的桥梁
图5. 生物纳米科学与癌症医学关系
生物纳米科学与癌症医学的接口是一个有很大进步的领域，但也受到了争议。该领域的核心概念——电子顺磁共振效应(EPR), 以及肿瘤靶向和积累，甚至癌症医学中"纳米"的目的也备受热议。与此同时，邻近领域的重大进展正在迅速发生，包括最近“免疫肿瘤”的进展，以及它自身的关于人们的理解和对被统称为癌症的一组疾病的临床治疗的根本影响。最近，来自墨尔本大学的Mattias Björnmalm和Frank Caruso（共同通讯）回顾了(i)癌症在临床上是如何治疗的以及它与纳米医学的关系；(ii) 检查了关于EPR效应和肿瘤靶向相关性的争论; (iii) 强调改善下一代纳米医学的方法; (iv) 讨论与(而不是反对)生物学合作的新兴概念。
文章链接：Bridging Bio–Nano Science and Cancer Nanomedicine (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04855)
6. Advanced Materials综述：非水溶液锂离子和钠离子电容器
图6. 电容器模型示意图
混合金属离子电容器(MICs)(M代表Li或Na)要求能提供高的能量密度，快速的能量传递和长的寿命。该装置由电池阳极和超级电容器阴极组成，因此成为电池和超级电容器之间的一种折衷。在过去的二十年里，人们一直在寻找合适的电极材料来克服电池型阳极和电容式阴极之间的动力不平衡问题。最近，一些过渡金属化合物被发现在非水的电解质中显示了赝电容特性，这使得它们在混合MIC阳极中成为混合动力的高速率候选者。来自南洋理工大学的颜清宇教授和范红金教授（共同通讯）总结了锂离子和钠离子电容器的材料设计策略，以赝电容氧化物阳极(Nb2O5、MoO3等)为重点，这为获得更高的功率密度的混合设备提供了一个新的机会。
文章链接：Nonaqueous Hybrid Lithium-Ion and Sodium-Ion Capacitors (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702093)
7. Advanced Materials综述：二维材料包附金属的催化剂：概念，应用和展望
图7. 通过石墨烯层进行电子渗透的示意图
为了降低成本，提高工业催化剂的效率，努力寻找低成本、高储量、高效的替代贵金属催化剂的化学品是一项伟大的事业。然而，金属催化剂的一个主要问题，特别是非贵金属催化剂，是其在实际催化过程中的稳定性差。近年来，一种新型、有前景的二维材料包附非贵金属的催化剂展现出了极佳的优势，特别是在恶劣条件下(如:强烈的酸性或碱性，高温，高过电位)。这一概念源于独特的电子渗透，从包附金属的二维晶体层到二维晶体的最外层的催化反应，并在恶劣条件下广泛应用于各种反应。近日，来自厦门大学的邓德会教授和大连化物所的包信和院士（共同通讯）介绍了最近关于这种催化剂的进展，特别针对这种异质结构催化剂的相关电子特性的结构设计和控制，以及它们在燃料电池、水裂解、二氧化碳转换、太阳能电池、金属空气电池和多相催化等方面的广泛应用进行了说明。此外，作者也讨论了在基础研究和工业应用中面临的当前挑战，以及这些极好的催化材料的未来机遇。
文章链接：Robust Catalysis on 2D Materials Encapsulating Metals: Concept, Application, and Perspective (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606967)
8. Angewandte Chemie International Edition综述：现代无机气凝胶
图8. 胶体纳米颗粒和气凝胶世界的融合
从本质上说，气凝胶这个术语描述了物质的特殊几何结构。它既不局限于任何材料，也不局限于任何合成过程。因此，可能的各种各样的材料以及它们的大量应用几乎是无界的。事实上，同样的情况也适用于纳米粒子。这些也是由它们的几何性质决定的。在过去的几十年里，纳米材料被大量研究，几乎所有的自然科学领域都有涉及。到目前为止，各种金属、半导体、氧化物和其他纳米粒子都可以从胶体合成中获得。然而，对于这些材料的许多应用来说，需要一个宏观结构的组装。来自德累斯顿工业大学的Alexander Eychmüller（通讯作者）展示了一幅关于胶体纳米颗粒和气凝胶世界相融合的综合图片。通过控制预先形成的纳米粒子的不稳定性而变得可能，这使得它们可以组装成为三维的宏观网络。这种革命性的方法使得人们可以使用精确调控的纳米粒子作为可设计特性的宏观多孔结构的基石。
文章链接：Modern Inorganic Aerogels (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201611552)
9. Nature Reviews Materials综述：关于多元金属纳米材料的应变可控电催化剂
图9. ORR理论发展
电催化对清洁和可再生能源技术的发展至关重要，这可能减少我们对化石燃料的依赖。多元金属纳米材料因为其独特的物理化学性质而可以作为最先进的电催化剂。一种增强多元金属纳米材料电催化性能的方法是对纳米材料的表面应变进行调节或控制，人们在过去十年中取得了巨大的进展。在这篇综述中，来自北京大学的郭少军教授（通讯作者）对多元金属纳米晶体中的应变、调优和量化，以实现更高效的电催化转化进行了总结。首先，文章介绍了应变的概念及其与其他主要物理化学性质的关系。然后，利用电催化还原作为一种模型反应，讨论了基于组合经典理论和模型的应变-吸附-反应关系背后的机理。作者描述了如何利用这些知识来设计具有最优应变能力的多元金属纳米晶体，以提高氧还原的效率。文章还特别强调了多元金属纳米晶体在改善电催化作用下的拉伸应变(先前被忽视)的作用。
文献链接：Strain-controlled electrocatalysis on multimetallic nanomaterials (Nat. Rev. Mater., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.59)
10. Advanced Materials综述：软机器人应用的弹性充气式执行器
图10. 弹性的充气致动器
20世纪的机器人系统是由硬材料制成的，许多发展都追求更加精确和动态的机器人，机器人在工业自动化领域蓬勃发展，而且在未来的几十年里可能仍会继续这样高速发展。然而，21世纪的机器人很可能会成为软机器人。这一新兴领域的特点在于连续的软结构，同时实现了机器人连接和执行机构的角色，并且主要关注的是机器人硬件的设计和制造，而不是软件控制。这些机器人预计将在经典机器人难以完成的精细任务中扮演重要角色，比如微创手术、主动假肢和涉及精密不规则物体的自动化任务。这些机器人的发展核心是制造柔性致动器。近日，来自鲁汶大学的Michael De Volder（通讯作者）回顾了一种特别有吸引力的软致动器，它是由加压流体驱动的。由于更好的模拟工具和新制造技术的推动，这些致动器最近获得了动力，而另一方面，市场从应用中获得了拉动。本文概述了不同的高级软驱动器配置、设计、制造和应用。
文章链接：Elastic Inflatable Actuators for Soft Robotic Applications (Adv. Mater., 2017, 10.1002/adma.201604977)
11. ACS Nano综述：实验室皮肤:对可穿戴健康监测的弹性和可伸缩电子产品的回顾
图11. 电子皮肤的应用
皮肤是人类最大的器官，并且它提供了一个富含来自内部器官、血管、肌肉和真皮/表皮的重要生物信号的诊断接口。柔性和伸缩电子器件提供了一个与软组织交互的新平台并可用于机器人的反馈和控制, 再生医学和可持续的健康监测。近期，来自厄巴纳伊利诺斯州大学的Yuhao Liu，德州农工大学的Matt Pharr以及瑞士电子实验室的Giovanni Antonio Salvatore（共同通讯）联名介绍了“实验室皮肤”，它描述了一套具备物理特性，比如厚度，热质量，弹性系数以及水蒸气透过性的电子器件，与人类的皮肤类似。这些器件能够在表皮上形成压板来减轻因传统的刚性电子造成的运动伪影和机械性能的不匹配性，同时提供了准确的，非侵入性的，长期的，持续的健康监测。近期，设计和制备具有先进性能软传感器的过程和提高的可靠性表明将这些器件从研究性实验室转移到临床环境的时刻即将到来。关于这些优势，文章第一部分回顾了材料，设计策略，以及在软电子设备中使用的系统。之后，文章提供了这些设备在心脏病学，皮肤病学，电生理学以及汗水诊断中的应用概况，并重点强调了这些系统是如何代替传统临床工具的。同时也对可穿戴健康监测领域未来研究方向的挑战和机遇进行了总结。
文章链接：Lab-on-Skin: A Review of Flexible and Stretchable Electronics for Wearable Health Monitoring (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04898)
12. ACS Nano综述：安全创新的考量：以石墨烯为例
图12. 纳米材料安全性问题示意图
“安全创新”和“安全设计”当前在纳米技术领域非常流行。这些术语描述了在早期（纳米）材料和纳米化产品创新过程阶段就已经提倡的安全性的考量方法。近期，来自荷兰的Margriet V.D.Z. Park（通讯作者）等人调查了在石墨烯创新过程的各阶段中考虑安全性问题的可能性，列出哪些信息已经可用来评估潜在的风险。此外，作者建议各利益方应采取进一步措施，促进石墨烯的安全生产和安全使用。
文献链接：Considerations for Safe Innovation: The Case of Graphene (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04120)
13. Chemical Society Reviews综述：光驱动微纳发动机：从基础到应用
图13. 光驱动MNMs的结构配置
光作为一种外部刺激，能够驱动微纳发动机(MNMs)，同时具备可逆性，具有良好的空间和时间分辨率的无线和远程操作等优点。近日，来自武汉理工大学的官建国教授（通讯作者）等人综述了最先进的光驱动MNMs，它能够通过转化光能为机械能在液体中或者衬底表面移动。通常的设计策略是在光驱动MNMs周围构建不对称场来推进它们，这种策略也被应用在了光驱动的MNMs光敏材料中，包括光催化剂材料，光热材料以及光致变色材料。之后文章介绍了发展到目前的光驱动MNMs的推进机理以及运动行为，涉及了光诱发原子间导电的推动，泡沫反冲，以及界面张力梯度，随后介绍了最近基于光致形变的液晶弹性体的光驱动运动的进展。在概述了光驱动MNMs在生物医学、环境和微纳工程领域的潜在应用之后，文中也展望了光驱动MNMs的未来发展前景。
文献链接：Light-driven micro/nanomotors: from fundamentals to applications (Chem.Soc.Rev., 2017, DOI: 10.1039/C7CS00516D)
14. Chemical Society Reviews综述：在高表面积金属氧化物上的多分子组合以及它们在界面能量和电子转移中的作用
图14. 组装示意图
高表面积金属氧化物为界面中多个分子组件的装配提供了一个独特的基板。分子，金属氧化物，以及组装方法本质的选择能够对机理，速率和光诱发在界面上能量和电子传输的效率产生重大的影响。由于它们的多样性以及高水平的控制，这些界面的组装对于众多应用包括太阳能转化，光电合成，光——读写记忆等是十分有趣的。虽然这些组装因为不同的目标而被开发，但是它们都依赖于相似的表面键和分子结构——特性关系。近日，来自佛罗里达大学的Kenneth Hanson（通讯作者）等人总结了许多策略（例如，共沉积，轴向配位，金属离子的联系，静电，主体——受体交互作用等）用于发色团组装，主体，电子给体/受体，以及在介孔金属氧化物衬底上绝缘的共吸附分子。在众多组装策略中，作者也详细讨论了组装，合成，以及表征，还有之后的光诱发现象（比如，截面能量/电子传输，内部发色团能量传递，电子注入等）。
文献链接：Multimolecular assemblies on high surface area metal oxides and their role in interfacial energy and electron transfer (Chem.Soc.Rev., 2017, DOI: 10.1039/C7CS00565B)
15. Chemical Society Reviews综述：基于应用在化学和生物传感器的二维纳米场效应晶体管
图15. 二维纳米场效应晶体管示意图
研究人员为满足对高灵敏，高选择性，快速检测的传感器需求量的日益增长，需要克服许多挑战。过去的十年里，基于场效应晶体管(FET)的电子传感器因其高灵敏，快速检测以及简单的测试程序已经被广泛的研究。在这些传感器中，基于FET传感器的二维纳米材料因为独特的结构和电子特性已经被证实在宽范围的检测物检测中具有巨大的潜力。近日，来自威斯康辛大学密尔沃基分校的陈俊宏教授和南洋理工大学的张华教授（共同通讯）讨论了近年来在石墨烯、二维过渡金属二硫化物和二维黑磷场效应传感器上的研究进展，重点介绍了气体、生物分子和水污染物的快速和低浓度检测。
文献链接：Two-dimensional nanomaterial-based field-effect transistors for chemical and biological sensing (Chem.Soc.Rev., 2017, DOI: 10.1039/C6CS00827E)
16. Chemical Reviews综述:生物光学和仿生光学材料
图16. 在光学材料中生物模拟的过程
通过采用有限的材料,最优设计的微纳结构，严格的监管流程，大自然展示了在不同尺度下的光物质相互作用的精细控制。事实上，光物质相互作用的精细控制在军备竞赛中是一个重要因素并且因此而产生了过度工程化的光学材料和系统。近日，来自华盛顿大学的Srikanth Singamaneni和美国空军研究实验室的Rajesh R. Naik（共同通讯）对自然界中发现的各种光学效应作了详细的总结，特别强调了光学功能材料和光学设计。文章采用一些典型实例，探讨了各种光学现象，包括吸收率和透过率，折射，干涉，反射和防反射，散射，光产量,波导和透镜，伪装，以及生物发光，这些都是在自然和生物学中发现的独特的材料光学特性和结构特性。研究人员在理解大自然的设计原则方面取得了巨大的进步，同样在实现生物模拟和生物启发的光学材料和光子设备方面取得了巨大的进展。文中也讨论了各种微纳制备技术来实现先进仿生光学结构。
文献链接：Bio-Optics and Bio-Inspired Optical Materials (Chem.Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00153)
17. Science综述：先进热电材料研究：回顾和展望
图17. 热电材料研究是一种由应用驱动的多学科研究领域，涉及到材料的电荷、自旋、轨道和晶格度
高性能热电材料位于热电材料的核心，这是一种最简单的技术，可用于直接从热到电的能量转换。在最近的60年历史中，热电材料研究领域已经停滞了好几次，但每次都被新的范例所激励。来自克莱姆森大学的Jian He和Terry M. Tritt（共同通讯）回顾了几个可能出现的由缺陷、大小影响、临界现象、非协调性和自由的自旋度所导致的潜在的变化机制。这些机制将原本相互依赖的物理量与更高的物质性能分离。作者还简要地讨论了一些有前景的材料，先进的材料合成和准备技术，以及新的机会。如果当前的热电材料研究趋势持续到可预见的未来，可再生能源领域将会被重塑。
文献链接：Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward (Science, 2017, DOI:10.1126/science.aak9997)
本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。
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