材料前沿最新综述精选(2017年10月第2周)
本文精选的材料前沿综述主要内容包括“环境稳定型有机电子器件的研究进展”、“MOF衍生材料的合成与能源应用”、“可充电固态锂空电池和锂硫电池”、“纳米材料用于水保护和监测”、“结晶多孔材料用于电化学储能”等等。
1、Adv. Mater. 综述：环境稳定型有机电子器件的研究进展
图1 有机电子器件在环境条件下的降解因素示意图（左）以及具有环境稳定性的有机半导体的各种应用（右）
柔性电子产品的发展突飞猛进，但是目前有机电子器件的商业化几率很小，主要是因为操作稳定性、环境中的长期稳定性以及与制造工艺有关的化学稳定性难以保证。目前科学家们已经尝试多种方法来克服有机电子材料的各种不稳定性。近日韩国浦项科技大学Joon Hak Oh（通讯作者）等人针对环保有机电子器件开发，综述了在环境中具有稳健功能的有机电子器件的研究进展，通过对性能衰退机理的剖析，重点阐述了如何克服氧气、水、化学物质、热、光的不利影响。
文献链接：Toward Environmentally Robust Organic Electronics: Approaches and Applications (Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201703638)
2、Adv. Mater. 综述：MOF衍生材料的合成与能源应用
图2 MOF基前驱体及其衍生的纳米材料的合成策略概述图
金属有机骨架（MOFs）的结构和组成丰富多样，因此受到科研工作者的极大关注。科学家对制备具有复杂结构的先进纳米材料和定制MOF衍生材料的化学组成具有极大兴趣。近日，南洋理工大学的楼雄文和浙江大学的吴浩斌（共同通讯作者）等人综述了基于MOF衍生材料的合成与能源相关应用。论文详细介绍了MOFs及衍生材料复杂结构的精细设计和制备，包括多孔结构，单壳空心结构和多壳空心结构和其他复杂结构。此外，文章还介绍了材料在锂离子电池、超级电容器和燃料电池的电极材料或催化剂等方面的应用。
文献链接：Complex Nanostructures from Materials based on Metal–Organic Frameworks for Electrochemical Energy Storage and Conversion (Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201703614)
3、Adv. Energy Mater.综述：可充电固态锂空电池和锂硫电池
图3 固态锂硫电池(a)和锂空电池(b)示意图
尽管锂空电池和锂硫电池已有实质性发展，但由于其有机电解质的易燃性，所以安全性仍是亟待解决的问题。此外，Li-Air电池的电解质挥发和Li-S电池的“穿梭效应”严重阻碍了其发展。发展固态Li-Air和Li-S电池是最好的解决方案之一。然而，在固态电解质、电极和界面等方面仍然存在许多挑战。南京大学的周豪慎和何平（共同通讯作者）等人对固态Li-Air和Li-S电池发展进行了全面的讨论。论文首先介绍了固体电解质的发展，包括离子电导率和化学稳定性。然后介绍了两个电池的阴极和电极/电解质界面。最后提出了复合阴极的优化和电极-电解质界面的改进等建议。
文献链接：Rechargeable Solid-State Li–Air and Li–S Batteries: Materials, Construction, and Challenges(Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201701602)
4、Adv. Energy Mater.综述：用于水分解和光伏的半导体金属氧化物纳米结构
图4 应用于分层结构和阵列制造的不同种类的0D，1D和2D MOx结构单元
金属氧化物（MOx）半导体纳米结构在开发可再生能源新平台，通过光伏效应，太阳能燃料和水分解实现能量转换和储存方面发挥着关键作用。地球丰富的MOx纳米结构可以通过简单和可扩展的路线制备，这可以充分利用其出色的光、电和催化性能。近日，瑞典吕勒奥理工大学的Isabella Concina, Zafar Hussain Ibupoto, Alberto Vomiero（共同通讯作者）等人介绍了这一领域的最新研究成果，突出了MOx纳米结构的多功能性，以满足不同体系的高效率要求。论文还指出至今人们还未获得满足高效率、稳定性和在实际情况下工作的光电化学系统。克服当前局限性的方法一方面是多材料体系的制造，另一方面是电极设计。
文献链接：Semiconducting Metal Oxide Nanostructures for Water Splitting and Photovoltaics(Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201700706)
5、Adv. Energy Mater.综述：光纤柔性热电发电机
图5一个典型的FTEG覆盖在球体上（A）和设备结构的放大图（B）
基于光纤的柔性热电能发电机具有3D变形，重量轻的优点，并且适用于大面积余热回收，能够作为可穿戴或移动电子设备的能量供应者，其中，器件对材料具有的较大的机械变形，高能量转换效率和电气稳定性要求极高。这些设备可以在普通环境下低温或室温制造，从而提供了大量成本低廉且可靠的产品。近日，香港理工大学的Xiaoming Tao和Tao Hua（共同通讯作者）等人综述了最先进的基于光纤的热电发电机，涵盖了其工作原理、材料、器件结构、制造方法、特性和潜在应用。此外还讨论了科学和实际的挑战和机会。
文献链接：Fiber-Based Thermoelectric Generators: Materials, Device Structures, Fabrication, Characterization, and Applications(Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201700524)
6、Chem. Soc. Rev. 综述：将纳米材料用于水保护和监测
图6 CNT作为吸附剂吸附有机和无机水污染物
废水污染物的有效处理是必须的，否则它们会不断污染有限的淡水资源，严重影响水陆空的动植物生存。近日，新加坡国立大学的Seeram Ramakrishna和德国莱布尼茨表面改性研究所的Rasel Das（共同通讯作者）等人对目前的研究趋势进行了详尽的介绍，尤其是纳米材料（NMs）显著提高了废水处理如吸附，催化，分离和消毒的性能。此外，文章重点阐述了基于纳米材料的传感器技术，因为它们已被用于监测水污染。研究者还建议未来必须更详细地调查潜在破坏性NM技术，并且强调了在实施大规模净水之前需要解决NM的环境修复的问题。
文献链接：Recent advances in nanomaterials for water protection and monitoring (Chem.Soc.Rev.,2017, DOI: 10.1039/C6CS00921B)
7、Chem. Soc. Rev.综述：将结晶多孔材料用于电化学储能
图7 MOF-5（a）和COF-5（b）的结构单元和晶体结构
金属-有机骨架（MOFs）和共价-有机骨架（COFs）是两个新兴结晶多孔材料（CPMs）。这些坚固的框架特点是在分子水平上具有非凡的孔隙度，突出的结构多样性和功能可调性。近日，北京理工大学的王博（通讯作者）等人介绍了MOFs和COFs在电池和超级电容器领域的最新进展，并阐述了CPMs在电化学能量存储器件中的功能，包括电化学能量储存，电极材料的稳定，电荷传输的途径，质量传递和促进电化学反应等。此外，文章还详细讨论了每个功能的主要要求，并提供了进一步的开发指导。
文献链接：Emerging crystalline porous materials as a multifunctional platform for electrochemical energy storage (Chem.Soc.Rev.,2017, DOI: 10.1039/C7CS00283A)
8、Chem. Rev.综述：利用同步加速器X射线分析技术研究可充电电池材料电化学
图8 同步加速器X射线分析技术研究可充电电池材料电化学示意图
可充电电池技术引发了运输、电子和电网储能等行业的革命。可充电电池的进一步发展需要新的化学物质，这需要进一步了解各种电池技术中的材料电化学。在过去十年中，电池材料的进步得益于新的分析技术，这些技术能在长度和时间尺度上探测电池化学物质。同步加速器X射线分析技术作为最有效的方法之一，可以通过光谱、散射和成像能力对材料特性（如具有各种深度灵敏度的电子和几何结构）进行近无损探测。近日，美国弗吉尼亚理工学院的Feng Lin和劳伦斯伯克利国家实验室的Marca M. Doeff（共同通讯作者）等人首先讨论了各种可充电电池的重要科学问题，随后阐述了同步加速器X射线的分析工具及其成功应用。然后讨论了同步加速实验的实验设计和减轻光束效应的方法。最后，文章阐述了同步加速技术如何影响下一代电池化学的发展。
文献链接：Synchrotron X-ray Analytical Techniques for Studying Materials Electrochemistry in Rechargeable Batteries(Chem.Rev.,2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00007)
9、Acc. Chem. Res.综述：用于癌症的NIR响应性光热半导体纳米材料的设计和功能化
图9 科研团队在NIR响应光热半导体纳米材料中的进展
尽管医疗技术在发展，但癌症仍然是人类生存的巨大威胁。光热治疗（PTT）是一种用于癌细胞的选择性光热消融的微创方法，不损害正常细胞。近来，由于近红外（NIR）区域的吸光度强，光热转换效率高，因此铜硫族化物半导体成为极具前景的光热剂。然而有效PTT的最小激光功率强度仍然显著高于人类皮肤暴露的保守极限。提高光热转换效率和降低激光功率密度已成为PTT发展的方向。此外，为了提高治疗效果，可以将光热剂与抗肿瘤药物、光敏剂或放射增敏剂整合来制备许多多模治疗纳米结构，从而产生协同效应。
近日，东华大学的邹儒佳和胡俊青（共同通讯作者）介绍了NIR响应光热半导体纳米材料用于癌症治疗的设计和功能化。研究人员开发了一系列硫属化物和纳米复合材料，用于癌症治疗和协同治疗。论文总结了包括体外和体内应用的设计和表征。然后分析了NIR响应光热半导体纳米材料临床应用的趋势，突出了其前景和挑战。NIR响应的光热半导体纳米材料的光热技术将促进癌症研究者在未来取得巨大进步。
文献链接：Design and Functionalization of the NIR-Responsive Photothermal Semiconductor Nanomaterials for Cancer Theranostics(Acc. Chem. Res.,2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00294)
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