材料前沿最新综述精选(2018年1月第4周)

1、Advanced Energy Materials 综述：摩擦纳米发电机收集风能

图1 传统风力发电机（左）与摩擦纳米发电机（右）的比较

为了满足对清洁可持续能源的需求，人们对清洁风能的开发取得了巨大进展。最经典的方法是使用直径大于50米，重量大于50吨的电磁效应风力发电机组，每台风力发电机组的成本可能超过50万美元，并且只能安装在偏远地区。基于接触电气化和静电感应原理的摩擦纳米发电机已被用于收集风能，其具有电压高，成本低和尺寸小的优点。在这里，作者通过关注摩擦电材料优化，结构改进以及与其他类型的能量收集技术的结合来开发风力驱动的摩擦纳米发电机。此外，文章总结了其主要应用，突出了今后需要解决的挑战和清洁风能的发展方向。中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和杨亚（共同通讯作者）等人回顾了制造摩擦纳米发电机的典型摩擦材料和结构，并通过优化摩擦电材料，改进发电机结构以及联合其他能量收集技术发展了风力驱动的摩擦纳米发电机。此外，文章总结了摩擦纳米发电机的主要应用，提出了今后需要解决的问题以及风能收集的发展方向。

文献链接：Scavenging Wind Energy by Triboelectric Nanogenerators（Adv. Energy Mater. ,2018,DOI:10.1002/aenm.201702649）

2、Advanced Materials综述：工程纳米颗粒在哺乳动物细胞中的摄取机制和细胞内命运：透射电子显微镜的能力和局限性—聚合物基纳米颗粒

图2 通过透射电子显微镜在超薄细胞切片上观察到的各个过程

许多消费品使用纳米颗粒作为添加剂，而特制纳米对象作为新的治疗和诊断平台得到了迅速发展，因此深入了解纳米颗粒的生物效应变得至关重要。透射电子显微镜（TEM）是研究纳米颗粒（NPs）的摄取和细胞内命运的重要方法，因为TEM能够提供大分辨率，并且其观察细胞内部的超微结构以及膜特征的能力是其他方法无法比拟的。近日，席勒耶拿大学的Stephanie Hoeppener（通讯作者）等人总结了利用TEM研究哺乳动物细胞中特制的聚合物纳米颗粒的摄取和作用模式。论文讨论了TEM的能力和局限性，对TEM所支持的普通纳米颗粒摄取进行了阐述。此外特别强调了处理电子显微镜中的低对比度材料（聚合物和聚合物改性纳米颗粒）的方法。

文献链接：Uptake and Intracellular Fate of Engineered Nanoparticles in Mammalian Cells: Capabilities and Limitations of Transmission Electron Microscopy—Polymer-Based Nanoparticles（Adv.Mater.,2018,DOI:10.1002/adma.201703704）

3、Advanced Energy Materials综述：改进金属化合物（MOFs, -S, -OH, -N, -C）作为Li-S电池负极材料

图3 不同硫负极材料比较

锂硫（Li-S）电池与锂离子（Li-ion）电池一样具有高效而广泛的潜力，因为硫电极具有高的理论容量（1672 mA h g_sul^-1），且价格适中。然而Li-S电池的商业化却很难实现。多硫化物的穿梭效应不可避免地导致容量衰减。目前，人们多通过多硫化物的物理限制和化学吸附解决这一难题。由于分子间相互作用较弱，物理限制策略在电池长期循环时不起作用。化学吸附来源于极性相互作用，路易斯酸碱相互作用和硫链连接显著地抑制了多硫化物的穿梭效应。研究人员还发现金属化合物与多硫化物具有强烈的化学相互作用。近日，悉尼科技大学的汪国秀、Dawei Su和东莞理工学院的范洪波（共同通讯作者）等人重点介绍了金属有机骨架金属硫化物，金属氢氧化物，金属氮化物，金属碳化物，并讨论了化学相互作用如何与这些金属化合物的独特性能相结合，以解决多硫化物穿梭效应的问题。

文献链接：Updated Metal Compounds (MOFs, -S, -OH, -N, -C) Used as Cathode Materials for Lithium–Sulfur Batteries（Adv. Energy Mater.,2018,DOI:10.1002/aenm.201702607）

4、Nature Reviews Chemistry综述：用于析氢和二氧化碳还原的低维催化剂

图4 低维材料的物理性质：具有不同电子结构的0D纳米颗粒，1D纳米线/纳米管和2D纳米片

低维材料和它们的杂化物已成为电催化和光催化制氢和将二氧化碳转化成有用分子的优秀之选。发展催化剂合成方法以及深入了解基本催化机理能够进一步合理设计具有改进性能和选择性的催化纳米材料。近日，蒙彼利埃大学的Damien Voiry（通讯作者）等人通过电催化和光催化分析了实现低维纳米材料和它们的范德华异质结构用于析氢和二氧化碳还原的现状，并且探索了这两种反应的机理和不同的策略，以进一步优化低维催化剂的活性，效率和选择性。

文献链接：Low-dimensional catalysts for hydrogen evolution and CO₂ reduction（Nat. Rev. Chem.,2018,DOI:10.1038/s41570-017-0105）

5、Angewandte Chemie International Edition综述：从嵌段共聚物的精确合成到纳米颗粒的性能和应用

图5 嵌段共聚物胶束中的金属纳米颗粒的（a）覆盆子样和（b）樱桃样形态

无机纳米颗粒由于其独特的性质而成为众多领域的研究热点。控制纳米颗粒的尺寸和形状是纳米颗粒合成的重要方面。通过嵌段共聚物模板制备无机纳米颗粒是高度精确地调整纳米颗粒尺寸和形状的最可靠方法之一。近日，北京大学的于海峰，华东理工大学的林绍梁以及佐治亚理工学院的林志群（共同通讯作者）等人讨论了嵌段共聚物模板设计和运用的最新进展，包括空心和核壳等球形无机纳米颗粒的制备。模板分为两类：由线型嵌段共聚物自组装而成的胶束和单分子星型嵌段共聚物。此外，文章还强调了纳米颗粒尺寸和形态的精确控制，讨论了由嵌段共聚物模板制备的无机纳米颗粒的性质和应用。

文献链接：From Precision Synthesis of Block Copolymers to Properties and Applications of Nanoparticles（Angew. Chem. Int. Ed.,2018,DOI:10.1002/anie.201705019）

6、Chemical Reviews综述：木质素解聚合——新型化学品

图6 从木质纤维素中分离木质素的程序

木质素是木质纤维素的主要成分，是地球上最大的芳香族建筑材料来源，并且可以作为生物基产品的起始材料。木质素结构强健复杂，这种有趣的芳香族生物聚合物的价值近年来有了很大的提高。最近出现了许多创造性的策略，例如通过催化或生物催化解聚得到特定产品。近日，格罗宁根大学的Katalin Barta（通讯作者）等人深入阐述了这些新颖的方法以及新型结构在合成生物基聚合物或药理活性分子方面的潜在应用。研究人员还总结了木质素基化合物官能化或去官能化的方法。

文献链接：Bright Side of Lignin Depolymerization: Toward New Platform Chemicals（Chem.Rev.,2018,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00588）

7、Chemical Reviews综述：利用基因组序列实现药物和化学探针的设计

图7 寡核苷酸的改性和传送

基因组测序技术的迅速发展使我们进入了后基因组时代。生物医学研究中的一个关键挑战是利用基因组序列实现个体化治疗。近日，斯克利普斯研究所的Matthew D. Disney（通讯作者）等人介绍了基因组测序是如何确定引起疾病的生物分子，以及如何将这些数据转化为功能化学探针、临床前引导模式以及美国食品和药物管理局（FDA）批准的药物。文章特别介绍了使用基于寡核苷酸模式来靶向致病的RNA；靶向DNA、RNA或蛋白质的小分子；已知治疗方式的合理再利用以及药物遗传学的优点。最后，文章还讨论了直接利用基因组序列进行药物设计所面临的挑战和机遇。

文献链接：Using Genome Sequence to Enable the Design of Medicines and Chemical Probes（Chem.Rev.,2018,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00504）

8、Chemical Society Reviews综述：非贵金属Co、Fe、Mn促进的催化（脱）氢化在新兴领域的研究进展

图8 非贵金属促进（脱）氢化的钳形配体和配体的结构

催化氢化和催化脱氢反应是现代化学工业的核心。化学合成都是从毫克级探索性有机化学到多吨化学品的生产中发现的。长期以来，贵金属催化一直是使羰基底物及其含氮物质发生转化的关键驱动力。近日，埃因霍芬理工大学的Georgy A. Filonenko和代尔夫特理工大学的Evgeny A. Pidko（共同通讯作者）等人向读者介绍了过去三年用非贵金属催化剂在氢化和脱氢化方面所取得的显著进展。

文献链接：Catalytic (de)hydrogenation promoted by non-precious metals – Co, Fe and Mn: recent advances in an emerging field（Chem.Soc.Rev.,2018,DOI:10.1039/C7CS00334J）

9、Chemical Society Reviews综述：利用超分子光敏剂促进光动力治疗

图9 （a）PDT的基本机制和（b）PDT在临床中的一般程序示意图

光动力治疗（PDT）已经成为极具前景的临床治疗各种癌症和其他疾病的方法。然而，由于缺乏最佳光敏剂（PSs）和/或智能运输/激活方案，PDT的潜力尚未全部实现。最近，使用非共价相互作用构建生物活性材料的超分子方法已经成为开发新型PSs的有效方法。另外，可以设计多功能的超分子光敏剂组件，使得PDT与其他治疗方式（例如光热疗法）协同作用，改善治疗效果。近日，梨花女子大学的Xingshu Li和Juyoung Yoon（共同通讯作者）等人介绍了超分子PSs用于促进PDT的最新进展，并且提供了未来可能取得的进展和潜在的临床应用。

文献链接：Supramolecular photosensitizers rejuvenate photodynamic therapy（Chem.Soc.Rev.,2018,DOI:10.1039/C7CS00594F）

10、Accounts of Chemical Research综述：用于光化学能量转换和光电学的阳离子，环金属铱（III）配合物的设计

图10 具有侧链吡啶基基团的[Ir(ppy)₂(bpy)](PF₆)衍生物

近年来，Ir（III）受到了特别的关注，其环金属阳离子配合物在绝大多数应用中已经取代了Ru（II）。近日，卡耐基梅隆大学的Stefan Bernhard（通讯作者）等人介绍了这些配合物的颜色调谐，及其在发光电化学电池中的应用。当使用Ir（III）配合物驱动太阳能燃料生产反应时，不同的光物理性质是极为有用的。可以通过使用安装在光敏剂上的桥接官能团来增强和简化物质之间的电子转移过程。此外，文章还探讨了使用锌金属作为太阳能燃料的可能性。利用DFT计算和循环伏安法，可以清楚地了解染料中有效光化学性质的配合物的电子结构。

文献链接：Judicious Design of Cationic, Cyclometalated Ir(III) Complexes for Photochemical Energy Conversion and Optoelectronics（Acc.Chem.Res.,2018,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00375）

11、Accounts of Chemical Research综述：多电子嵌入反应能否成为下一代电池的基础？

图11 显示可逆嵌入两个锂离子能力的三种材料

嵌入化合物基本上是所有可充锂电池的基础。它们具有广泛的电子和晶体结构。因为每个过渡金属氧化还原中心允许可逆插入量少于一个锂离子，因此目前的锂电池容量有限。人们可以利用发生多电子反应的氧化还原中心来增加存储容量。这可通过插入多个单价阳离子或一个多价阳离子来实现。近日，宾汉顿大学的M. Stanley Whittingham（通讯作者）等人回顾了锂和镁可逆嵌入典型材料的关键理论和实验结果：二硫化钛TiS₂和磷酸氧钒VOPO₄。这两种材料都以两种或多种相存在，这些相具有不同的摩尔体积和/或尺寸。文章得出的一个主要结论是可逆地将两个锂离子嵌入到主晶格中，同时保持其晶体结构。第二个主要结论是可以依靠它们来预测简单嵌入反应可能存储的能量。从功率或能量密度考虑，基于镁的嵌入电池相对于锂电池而言不太可行。然而，这种反应的基本研究将使读者更好地理解嵌入反应，以及晶体结构在控制化学反应速率和程度方面的重要性。

文献链接：Can Multielectron Intercalation Reactions Be the Basis of Next Generation Batteries?（Acc.Chem.Res.,2018,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00527）

本文由材料人金属组deer供稿，材料牛整理编辑。

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