材料前沿最新综述精选(2017年11月第4周)

1、Advanced Energy Materials综述: 锂电池分层结构电极材料的最新进展与展望

图1 每个组件的结构图和相对成本

锂电池实现商业化以来，已被广泛应用于便携式数字产品中。然而，锂电池的能量密度和功率密度不足以满足持续增长的需求。探索具有良好的倍率性能和长周期寿命的阴极/阳极材料迫在眉睫。近日，来自南开大学的陶占良教授和Shu-Lei Chou（共同通讯作者)等人概述了近年来在分级结构电极材料上的研究进展，并详细讨论了分级结构对电化学性能的影响。此外，作者还提出了具有分层结构电极材料所面临的挑战和应用前景。

文献链接：Recent Developments on and Prospects for Electrode Materials with Hierarchical Structures for Lithium-Ion Batteries (Adv.Energy Mater.: 10.1002/aenm.201701415）

2、Advanced Energy Materials综述: 凝胶聚合物电解质在电化学储能方面的应用

图2 电池充电放电过程示意图

柔性可穿戴电子产品在蓬勃发展的同时，其安全问题和操作稳定性已经引起了全世界的关注。与传统液体电解质相比，凝胶聚合物电解质（GPE）具有更高的安全性和对柔性储能装置设计的适应性。近日，来自复旦大学的彭慧胜教授(通讯作者)等人概述了凝胶聚合物电解质在电化学能量储存中的应用。文中讨论了如何制备统一的锂离子迁移数量并为整个电容提供额外伪电容的功能性GPE。其中最令人瞩目的是具有自我保护性、耐热性和自我修复能力的智能型凝胶聚合物电解质。此外，作者对电化学储能装置的未来发展方向做出了展望。

文献链接：Gel Polymer Electrolytes for Electrochemical Energy Storage (Adv.Energy Mater.: 10.1002/aenm.201702184）

3、Angewandte Chemie International Edition综述: 3D激光微米和纳米打印技术

图3 空间功能化的三维微型支架

近日，来自昆士兰科技大学的Christopher Barner-Kowollik和卡尔斯鲁厄理工学院的Martin Wegener (共同通讯作者) 等人概述了3D激光微米和纳米打印技术的最新研究进展。3D打印技术从用于细胞生物学和电子学的先进功能材料发展到需要克服化学障碍来达到分辨率低于衍射极限的快速写入速度。作者通过高度波长选择性（λ-正交）光化学过程在一个抗蚀剂中实现多种材料的激光直写。最后，作者介绍了能够响应外部刺激（如光，热，pH值或特定分子）的自适应3D结构，并提出了可降解支架的先进概念。

文献链接: 3D Laser Micro- and Nanoprinting: Challenges for Chemistry (Angew. Chem. Int. Ed.：10.1002/anie.201704695）

4、Advanced Materials综述：金属—有机框架的机械性能

图4 金属有机框架结构示意图

金属-有机框架（MOF）的特性是通过无机-有机混合纳米多孔结构来提高其力学性能。近日，来自桑迪亚国家实验室的Nicholas C. Burtch和Mark D. Allendorf (共同通讯作者)等人概述了金属有机框架（MOF）设备功能和技术应用所带来的新机遇和挑战。作者深入讨论了MOF作为功能纳米器件的应用以及由于缺陷和相互渗透等属性而引起MOF机械结构-性能变化的最新进展。此外，作者还讨论了量化MOF力学性能的最新算法。
文献链接：Mechanical Properties in Metal–Organic Frameworks: Emerging Opportunities and Challenges for Device Functionality and Technological Applications (Adv.Mater.: 10.1002/adma.201704124）

5、Progress in Polymer Science综述：热塑性硫化橡胶的制备和结构表征

图5 热塑性硫化橡胶的制备方法示意图

热塑性硫化橡胶（TPVs）由高含量的交联橡胶作为分散相和低含量的热塑性塑料作为连续相组成，一般通过预共混橡胶相和塑性相的动态硫化来制备。热塑性硫化橡胶是一类高性能的热塑性弹性体（TPE），因它们兼具交联橡胶的优异弹性和力学性能，以及热塑性塑料的良好加工性和可回收性，引起了科学家们的广泛关注。近日，北京化工大学的张立群教授和田明教授(共同通讯作者)等人概述了TPV制备方法的最新研究进展，以及TPV微观结构的形成机理和影响因素。作者为制备高性能的TPV材料提供了新思路。

文献链接：Preparation, microstructure, and microstructure-properties relationship of thermoplastic vulcanizates (TPVs): A review (Prog. Polym. Sci: 10.1016/j.progpolymsci.2017.11.003）

6、Advanced Materials综述：金属有机框架及其复合材料的能量储存和转换

图6 光催化体系的示意图

近日，来自日本产业技术综合研究所的徐强教授和北京大学的邹如强教授(共同通讯作者)等人概述了金属有机框架MOF及其复合材料在能源储存和转化应用方面的最新进展，包括光化学和电化学制氢，CO₂减排和水氧化，超级电容器，锂离子电池，Li-S电池和Li-O₂电池等。作者深入讨论了金属有机框架及其复合材料的设计方案（例如，活性组分的结合，智能形态的设计，以及对有机连接体和金属节点的选择），并将其用于特定的能量存储和转换应用领域。最后，作者对近期的研究进展进行了介绍，这将有助于MOFs和MOF复合材料在先进能源储存和转换应用的发展。
文献链接：Pristine Metal–Organic Frameworks and their Composites for Energy Storage and Conversion (Adv.Mater.: 10.1002/adma.201702891）

7、Chemical Society Reviews综述：化学过程辅助金属氧化物薄膜的低温结晶

图7 结晶薄膜形成过程示意图

随着金属氧化物薄膜低温加工技术的不断发展，氧化物层（非晶半导体）可以直接集成在用于柔性电子系统的低熔点聚合物基底上，使经济效益得到增加，同时还降低了能耗。然而，较高的结晶温度（> 600°C）阻碍了氧化物功能器件的发展。近日，来自马德里皇家研究院的Iñigo Bretos 和M. Lourdes Calzada (共同通讯作者)等人概述了基于湿化学法诱导金属氧化物薄膜在低温下结晶的新方法。制备过程的关键在于形成无缺陷、高度致密化的非晶态金属氧化物，过程中光可以用作诱导结晶的互补能源。

文献链接：Low-temperature crystallization of solution-derived metal oxide thin films assisted by chemical processes (Chem.Soc.Rev.: 10.1039/C6CS00917D）

8、Chemical Society Reviews综述：树枝状聚合物与天然产物结合在抗癌剂上的应用

图8 树枝状大分子的2D化学结构

在纳米医学领域，由于纳米尺度结构的可调范围，纳米载体不仅用于药物递送，还用于基因的输送和显像剂，组织靶向，肿瘤治疗诊断等。临床上所用到的纳米粒子类型主要是脂质体、蛋白基、聚合物/胶束等有机纳米粒子和氧化铁、二氧化硅和金等无机纳米粒子。然而，用天然产物作为纳米载体的相关报道确很少。近日，来自巴黎第五大学的Serge Mignani 、马德拉大学的João Rodrigues 和法国科学研究中心的Jean-Pierre Majoral (共同通讯作者)等人概述了树枝状聚合物与天然产物结合的新材料在抗癌剂上的应用。在纳米药物中使用树状大分子的最大优势是其高度的生物相容性及良好的水溶性。新材料的运用，可以有效降低抗癌剂的固有毒性和药物副作用，提高治疗效果，从而减少患者的依赖性。
文献链接：Dendrimers in combination with natural products and analogues as anti-cancer agents (Chem.Soc.Rev.: 10.1039/C7CS00550D）

9、Accounts of Chemical Research综述：电池电解质电化学稳定性和界面结构的模拟研究

图9 氧化过程中的H转移反应

近日，来自美国陆军研究实验室的Oleg Borodin (通讯作者)等人报道了电解质双层中溶剂和离子分配在分子尺度上的观察，并应用电位的函数预测电解质稳定性及其初始氧化和还原反应的变化。作者通过分子动力学（MD）模拟，发现阴离子可以被设计为优先从正电极吸附或从具有增加的电极电位解吸，提供了额外的杠杆作用来决定阴离子氧化的顺序并有效地选择牺牲阴离子来分解。此外，作者还通过表面增强红外光谱证实了在高浓度水性电解质中磺酰亚胺（TFSI）和三氟甲磺酸盐（OTF）的相反电吸附行为。

文献链接：Modeling Insight into Battery Electrolyte Electrochemical Stability and Interfacial Structure (Acc. Chem. Res.: 10.1021/acs.accounts.7b00486）

10、Accounts of Chemical Research综述：金属有机框架的机械稳定性

图10 金属有机框架诱发相变或非晶化的临界压力

金属有机框架（MOFs）由通过有机配体相互连接的无机部分组成，通过官能化或取代这些结构单元而获得所需的结构和化学特征。近日，来自根特大学的Veronique Van Speybroeck (通讯作者)等人概述了计算表征MOFs机械稳定性的最新进展。文中提出了三种计算方法，分别是Born稳定性标准、机械模量的各向异性和压力对状态的体积方程。研究结果表明，状态压力-体积方程可以用于减轻这些瞬时波动的影响，从而产生更准确的结果。

文献链接：Reliably Modeling the Mechanical Stability of Rigid and Flexible Metal–Organic Frameworks (Acc. Chem. Res.: 10.1021/acs.accounts.7b00404）

11、Chemical Reviews综述：含有高分子添加剂的晶体生长研究

图11 晶体结构示意图

大分子与生长晶体表面的相互作用在生物矿化中起着重要的作用，其可以在低温下确定一些生物体是否存活，在工业应用中有着良好的前景。近日，来自纽约大学的Alexander G. Shtukenberg (通讯作者)等人概述了包括肽和蛋白质在内的大分子存在下的晶体生长机理，重点讨论了大分子与晶体材料表面之间的相互作用以及不同类型晶体表面上的大分子吸附和大分子存在下的结晶动力学。在整个过程中，深入研究了大分子在晶体表面的吸附和结合选择性。此外，作者通过与其他结晶添加剂作比较，解释了大分子尺寸和复杂性所起的特殊作用。

文献链接：Crystal Growth with Macromolecular Additives (Chem.Rev.: 10.1021/acs.chemrev.7b00285）

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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