材料前沿最新综述精选(2018年1月第3周)

1、Nature Reviews Materials：氮空位中心探测在凝聚态物理中应用

图1 氮空位中心探测在凝聚态物理中应用的机理以及测试过程

自旋和电流产生的磁场为电子材料和器件的物理学开创了一个独特的视角。氮空位缺陷的电子自旋测磁法成为适合探测凝聚态体系的平台，它可以从低温操作到高温，并且传感器采样距离小至几纳米。近日，哈佛大学Amir Yacoby（通讯作者）团队讨论了磁力测量法在凝聚态物理学研究中的应用，重点研究了它用于研究静态和动态磁性结构以及静态和动态电流的分布情况。文章讨论了磁力测量如何解开静态介观平面电流分布，因为这些可以由杂散场测量独特地重建。理论上提出了允许测量实空间两点自旋-自旋相关函数的协议，并讨论了使用自旋波激发介导远离NV中心之间的相互作用。

文献链接：Probing condensed matter physics with magnetometry based on nitrogen-vacancy centres in diamond (Nat.Rev.Mater.,2018,DOI:10.1038/natrevmats.2017.88）

2、Progress in Polymer Science: Li ⁺导电固体聚合物电解质

图2 PEO：LiFSI和PEC：LiFSI电解质的离子电导率和玻璃化转变温度的比较

用于锂基电池等应用的导电固体（无溶剂）聚合物电解质中的大部分为聚醚基材料，尤其是原型聚环氧乙烷（PEO）。然而，多年来人们已经探索了大量可选择的聚合物主体，包括聚碳酸酯、聚酯、聚腈、多元醇和多胺的材料。近日，来自乌普萨拉大学的Daniel Brandell（通讯作者）团队对这些“替代性”锂离子传导SPE主体材料进行了研究，从电化学器件潜在应用的角度进行了总结和讨论，重点关注了锂电池，并突出综述了目前基于PEO模式的主要挑战和机遇。

文献链接：Beyond PEO—Alternative Host Materials for Li⁺-Conducting Solid Polymer Electrolytes（Prog.Polym. Sci.,2018,DOI:10.1016/j.progpolymsci.2017.12.004）

3、Advanced Materials: 基于半导体光催化还原二氧化碳的助催化剂、成就、挑战和机遇

图3 用于太阳能燃料生产的光催化还原二氧化碳的示意图

化石燃料燃烧和大规模CO₂排放引发了全球能源危机和气候变化。解决该问题的有效方法就是利用太阳能将CO₂转化为碳氢化合物清洁燃料，该方法将CO₂转化的还原性半反应与氧化性半反应组合，以产生碳中性循环，为全球能源和环境问题提供了可行的解决方案。近日，来自阿德莱德大学的乔世璋教授（通讯作者）等人总结了光催化还原CO₂的关键过程，并对如何提高光催化效率的方法进行了归纳总结，光催化还原CO₂的关键过程包括：（i）太阳光吸收，（ii）电荷分离/迁移，（iii）催化CO₂还原和H₂O氧化。提高光催化的分离效率需要助催化剂，助催化剂在这个过程中起到四个重要作用：（i）促进电荷分离/转移，（ii）改善CO₂还原的活性和选择性，（iii）增强光催化剂的稳定性，（iv）抑制侧面或背面反应。文章总结了半导体光催化CO₂转化还原助催化剂的作用机理，选择高活性、具有选择性和稳定性的助催化剂对于实现高效，稳定的光催化还原二氧化碳至关重要。

文献链接：Cocatalysts in Semiconductor-based Photocatalytic CO₂ Reduction: Achievements, Challenges, and Opportunities,(Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201704649）

4、Advanced Energy Materials：高效钙钛矿太阳能电池的无掺杂空穴传输材料

图4 理想的DF-HTM必要条件

钙钛矿太阳能电池在不到七年的时间内已经提供了超过22％的功率转换效率，这意味着低成本光伏发电具有高效率和低嵌入能量的潜力。除了“钙钛矿热”之外，新型空穴传输材料（HTM），特别是无掺杂剂HTMs的开发是另一个研究热点。这是因为目前使用的HTM需要额外的化学掺杂工艺以确保有效的空穴传输和收集足够的导电性以及合适的离子电位水平。然而，常用的掺杂剂是挥发性和吸湿性的，不仅增加了器件制造的复杂性和成本，而且还降低了器件的稳定性。

近日，来自中科院海西院厦门稀土材料所高鹏教授（通讯作者）团队总结了最近报道的DF-HTM，包括无机/有机p型半导体，有机配合物和复合材料。在每个类别中，根据分子量或几何形状将HTM进一步分类为子类别。无机p型半导体具有化学稳定性好，价带能级合适，可见光区透明度高的优点。它们可以在没有任何添加剂的情况下提供强大的器件架构，可以合成具有高迁移率，导电性和热稳定性的多种化学结构。基于上述分析，该团队得出了四个经验规则来设计理想的DF-HTM，首先，它应该具有适当的能量水平以匹配相应的钙钛矿吸收剂； 其次，在运行条件下应该稳定和健全；最后，沉积后应提供高导电性和流动性。 而且，HTM和钙钛矿之间的界面应该进行合理的调整，以提高器件的整体稳定性。

 文献链接：Less is More: Dopant-Free Hole Transporting Materials for High-Efficiency Perovskite Solar Cells(Adv. Energy Mater.,2018,DOI: 10.1002/aenm.201702512）

5、Advanced Materials：可印刷透明导电薄膜用于柔性电子器件

图5 APP烧结系统、卷对卷凹版胶印印刷后聚焦激光烧结来制造柔性Ag电极以及热压金属网格嵌入式透明电极的制造的示意图

印刷电子技术是开发低成本，大面积，灵活的光电子器件的重要技术。透明导电薄膜由可溶解加工的透明导电材料制成，石墨烯与传统的溅射铟锡氧化物TCFs相比，可以同时表现出较高的机械灵活性，低成本和较好的光电性能，近日南京邮电大学黄维院士、赖文勇教授（共同通讯作者）等人总结了几种卷对卷兼容印刷技术（包括喷墨印刷，丝网印刷，胶版印刷和使用新兴的透明导电材料的凹版印刷）实现的大面积柔性TCF的最新进展。文章详细讨论了包括油墨配方，基板处理，图案化和后处理在内的TCF的制备，以及在太阳能电池，有机发光二极管和触控面板中的应用。印刷技术与新兴的透明导电材料的组合拓展了印刷电子产品在柔性显示领域以及其他领域的发展机遇。

文献链接：Printable Transparent Conductive Films for Flexible Electronics (Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201704738）

6、Chemical Reviews：均相催化二氧化碳的电还原方法和机理

图6 电化学还原CO₂机理图

通过电化学还原CO₂的方法可用于生产高附加值化学品或燃料，在催化过程中的第二外部配位球的重要作用已经变得十分明显，金属-配体协同性近来已经成为进一步调整催化行为的研究重点。近日，来自罗斯托克大学的Robert Francke（通讯作者）等人研究了近三十年来均相催化剂在电催化CO₂还原中的发展。包括对基本机制原则的讨论，对机理的研究，催化剂基准测试的实验和计算技术的处理。文章尤其在催化剂家族在机械方面的应用进行了详细的讨论，并突出了该领域的最新进展。

文献链接：Homogeneously Catalyzed Electroreduction of Carbon Dioxide—Methods, Mechanisms, and Catalysts (Chem.Rev.,2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00459）

7、Chemical Reviews：化学工艺中的绿色可持续溶剂

图7 木质纤维素生物质可以产生的溶剂a) d-柠檬烯，b) 甘油，c) γ-戊内酯，d) 环戊烯和e) 2-MeTHF

由于人们意识到溶剂对环境保护，能源使用以及对空气质量和气候变化的贡献，因此可持续溶剂是研究者们和化学工业日益关注的话题。为了解决环境污染、能源使用等问题，研究者们在过去三十年里已经提出并开发了一系列更绿色或更可持续的溶剂。近日，帝国理工学院Jason P. Hallett教授（通讯作者）等人叙述了目前使用的最突出的可持续有机溶剂的几个方面：离子液体、低共熔溶剂、超临界流体、可转换溶剂、液体聚合物和可再生溶剂，不仅研究了每种溶剂在其反应或萃取过程中的性能，还描述了溶剂制备的背景、技术、经济和环境因素，为绿色可持续溶剂制备提供了一个新的思路。

文献链接：Green and Sustainable Solvents in Chemical Processes (Chem.Rev.,2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00571）

8、Chemical Society Reviews：电池接口分析的原位分析技术

图8 原位分析技术的发展历程

电池的功率输送取决于电化学性能和电极，电解质及其界面的稳定性。电极/电解质的界面现象涉及锂枝晶形成，电解质降解和气体逸出以及在电极-电解质界面形成半固体保护层。SEI保护电极免受进一步的剥落或腐蚀，并抑制锂枝晶的形成，这是提高电池性能的关键需求。近日，来自国立台湾科技大学的Bing Joe Hwang教授（通讯作者）等人论述了人工和自然形成的SEI的组成，结构和形态学方面以及各种原位分析工具所遇到的挑战，提出了推动这一领域的新兴研究方向。

文献链接：In situ analytical techniques for battery interface analysis (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00180K）

9、Chemical Society Reviews：生物敏感的智能不对称纳米通道膜

图9 构建BSANM系统的方法

不对称纳米通道膜的研究横跨材料科学，生物科学，纳米技术等领域等学科，理解BSANM的传输特性可以为模拟生物体内离子转运过程提供基础指导，这将为BSANM系统在许多领域开拓广阔的应用前景。近日，来自中科院理化技术研究所的闻利平教授（通讯作者）课题组论述了基于具有不同尺寸的原材料的构建方法，首先提出了设计和建造BSANM系统的通用策略，并将其纳入从均相到非均相纳米通道膜的最新发展；然后，文章介绍了BSANM的基本性质，包括选择性、门控和纠正，这些都与特定的化学和物理结构有关，文章还总结了BSANM在能量转换，生化传感等领域的实际应用，旨在建立一个广泛而深入的知识库，为科学界提供可靠的信息来源。

文献链接：Bioinspired smart asymmetric nanochannel membranes (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00688H）

10、Accounts of Chemical Research.：In₄Se₃材料的高热电性能及影响因素

图10 In₄Se₃的结构及其改性方法

热电材料已经引起了全球对可持续能源应用的重点关注。作为最先进的热电材料之一的In₄Se₃，其特征包含In/Se链的准二维片材的晶体结构，晶粒的随机分布和晶界效应导致In₄Se₃的电输运性能较差是影响其性能的主要障碍。近日，来自北京师范大学吴立明教授（通讯作者）等人发现In₄Se₃晶胞中的In4位置是诸如Pb的掺杂物的替代物，其可将载流子浓度增加2个数量级，电导率增加到143S/cm。当Cu被掺杂到间隙位置时，电导率显着增加到大约160S/cm，但是用In1/In2/In3位掺杂剂例如Ni，Zn，Ga和Sn其电导率会保持低至30S/cm，文章总结了所有单晶和多晶In₄Se₃材料的ZT值在不同晶格位置应用的掺杂策略的函数。此外，作者还介绍了所有多晶材料的电导率与塞贝克系数之间的关系，这些见解可能为在In/Se和相关的In/Te，Sn/Se和Sn/Te系统中寻找和选择新的热电化合物提供新的思路。

文献链接：High Thermoelectric Performance of In₄Se₃-Based Materials and the Influencing Factors (Acc.Chem.Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00480）

11、Accounts of Chemical Research.：超导复合金属间化合物Be₂₁Pt₅中的团簇形成

图11 Be₂₁Pt₅ 晶体结构示意图

具有γ-黄铜型晶体结构的材料是金属间化合物的典型代表。主族元素的γ-黄铜相是相当少见的。近日，来自马克思普朗克研究所的Yuri Grin（通讯作者）团队合成了该族新成员Be₂₁Pt₅，并对其晶体结构，化学键和物理性质进行了表征。Be₂₁Pt₅以立方晶系空间群F4̅3m结晶，晶格参数a = 15.90417Å，每单位晶胞有416个原子。从晶体学的角度来看，二元物质代表了一个称为复合金属合金的特殊的金属间化合物族。Be₂₁Pt₅的结构基元被描述为具有明显分布缺陷的简单bcc结构图案的γ-黄铜结构。晶体结构的主要构建元素是四种类型的嵌套多面体单元（簇），其组成为Be₂₂Pt₄和Be₂₀Pt₆。每个簇包含四个壳（4 + 4 + 6 + 12个原子）。具有不同组成的团簇显示了铂和铍对壳的各种位置占领，具有相同组成的多面嵌套单元根据壳原子到团簇中心的距离而变得不同。

文献链接：Cluster Formation in the Superconducting Complex Intermetallic Compound Be₂1Pt₅ (Acc.Chem.Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00561）

本文由材料人电子组杨超供稿，材料牛整理编辑。

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