材料前沿最新综述精选（2018年3月第1周）

1、Angewandte Chemie International Edition综述：硅基电介质超材料合成的挑战

图1 硅球的SEM图和偏振光的理论光谱

超材料具有弯曲，聚焦和完全反射，透射或吸收入射波阵面的能力。特别是光学活性超材料可用于3D信息存储、光伏电池、高安全性水印和光纤等。硅颗粒是用于光学活性超材料最有前景的构件，具有高散射效率和对低频率可见光的光吸收。然而，迄今为止，理想的硅构件不能使用大量合成技术来生产，限制了它的发展和应用。近日，法国科学院波尔多凝聚态材料化学研究所的Glenna L. Drisko和Cyril Aymonier（共同通讯作者）团队讨论了有关超材料硅的光学性质的理论背景，总结了目前常用的合成方法，并为超材料理想硅颗粒的发展路线提供了方向。

文献链接：Silicon-Based Dielectric Metamaterials: Focus on the Current Synthetic Challenges (Angew. Chem. Int. Ed.,2018,DOI: 10.1002/anie.201709044）

2、Nano Energy综述 : 石墨烯及其衍生物在太阳能电池方面的应用

图2 石墨烯及其衍生物用于太阳能电池应用的示意图

在过去的二十年中，石墨烯已经与光伏材料的概念相融合，并在太阳能电池器件中扮演着透明电极、空穴/电子传输材料和界面缓冲层的重要角色。目前石墨烯基钙钛矿太阳能电池的功率转换效率超过20.3％，有机太阳能电池的效率也可达到10％。近日，来自全北国立大学的Yoon-Bong Hahn（通讯作者）团队总结了石墨烯制备的不同方法，并广泛讨论了石墨烯基太阳能电池的最新进展，包括本体异质结，染料敏化和钙钛矿太阳能电池。作者提出了石墨烯用于光伏应用的材料未来研究的潜在问题和前景。文章指出，尽管基于石墨烯的PV器件取得了重大进展，但未来需要考虑的挑战仍很多，而解决这些挑战可能会为产生更轻，环保和低成本高效益新一代的器件创造条件。

文献链接：Graphene and its derivatives for solar cells application（Nano Energy,2018,DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.02.047）

3、Advanced Materials综述: 用于柔性全固态超级电容器的纳米碳材料

图3 用于柔性ASSSC的碳纳米管的SEM图及其性能图

迄今为止，基于纳米碳管的灵活ASSSCs已经取得了很大的成就，但这一前景的研究领域仍然面临一些挑战。1、所使用的凝胶电解质的离子传导性和渗透性有限； 2、基于纳米碳/赝电容复合电极的ASSSC的电容没有大幅增加。近日，来自同济大学的甘礼华和陈涛（共同通讯作者）等人总结了具有自充电功能或自供电功能的集成设备这一研究领域的相关进展，这可能会大大扩展ASSSC的实际应用领域。为了实现高性能集成器件，设计和开发能够用作不同部件的高效电极成为必要。集成器件的配置会进一步优化，以使不同的功能部件单独工作并相互匹配。最后，对于所有的ASSSCs及其涉及的综合系统还应考虑和开发连续生产技术和大规模生产工艺。

文献链接：Nanocarbon-Based Materials for Flexible All-Solid-State Supercapacitors(Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201705489）

4、Advanced Functional Materials综述： Li-S电池纳米结构功能层/隔膜的合理设计

图4 锂硫电池装置图及其机理图

锂-硫电池由于其理论能量密度高，原料活性物质（硫）成本低以及环境友好而被认为是未来有希望的储能装置。另一方面，锂-硫电池的实际应用仍然存在挑战性问题，包括低硫利用率，可循环性差和倍率性能。虽然人们已经做出了相当大的努力来克服锂-硫电池存在的障碍，但是还没有达到锂-硫电池商业化的要求。 近日，来自国立首尔大学的Chong Rae Park和仁荷大学Seung Jae Yang（共同通讯作者）团队总结了基于新型配置的锂-硫电池的最新进展，比如在制备新型阴极的方法之外加入功能性夹层/分隔层，并讨论了配置在锂-硫电池中的作用。通过新引入的功能性夹层/分离器的突出功能，以解决锂-硫电池的问题。从功能分类出发，文中提出了合理设计高性能锂-硫电池新型功能性夹层/隔膜的观点和展望。

 文献链接：Rational Design of Nanostructured Functional Interlayer/Separator for Advanced Li–S Batteries (Adv. Funct. Mater.,2018,DOI: 10.1002/adfm.201707411）

5、Energy & Environmental Science综述：光伏领域石墨烯相关材料的复兴

图5 甲基铵阳离子结构示意图

目前，基于石墨烯的技术被认为具有最大的应用潜力。石墨烯的电子和材料特性已在多种电子和光电子器件中探索出来，其中包括有机和金属-卤化物钙钛矿太阳能电池，另一方面，金属卤化物钙钛矿太阳能电池是最先进的光伏技术，其功率转换效率呈指数级增长，最明显的缺点是这些设备的稳定性限制了它们的实际应用和商业化。 近日，克里特技术教育研究所的Costantinos Petridis 、George Kakavelakis、Emmanuel Kymakis（共同通讯作者）等人回顾了自2013年以来石墨烯基金属卤化物钙钛矿太阳能电池在特定领域取得的进展，石墨烯和GRMs在这项技术中的开发的影响是多方面的，人们已经获得了更高质量的钙钛矿晶体构建并制造了更稳定，灵活和高性能的器件。文章还提出了PSCs在不久的将来能够应对的主要挑战：1、进一步提高其光伏性能和稳定性；2、可控薄膜生长和沉积；3、可扩展性；4、毒性低；5、降低成本。

文献链接：The renaissance of graphene-related materials in photovoltaics with the emergence of metal-halide perovskite solar cells (Energy Environ. Sci.,2018,DOI: 10.1039/C7EE03620E）

6、Chemical Society Reviews综述：三维石墨烯材料向能源应用的可扩展化学气相沉积生长

图6 可扩展的CVD合成方法用于制备能源相关应用的3D石墨烯材料

由于具有高比表面积，快速电子传输和低密度，使用石墨烯结构单元集成的三维（3D）石墨烯材料对于能量相关应用具有很大的发展前景。这种3D石墨烯结构已成为构建下一代储能和转换设备（如超级电容器，电池和燃料电池）的理想平台。近日，来自北京大学的刘忠范院士和张艳锋（共同通讯作者）等人重点介绍了3D石墨烯材料（例如泡沫，壳和分层结构）的可扩展CVD增长的最新进展以及它们在能源相关领域的应用。首先，文章强调衬底形状和成分（金属或非金属）在不同3D石墨烯的CVD生长中的作用。并对这些3D石墨烯材料的相关生长机制进行了分析和讨论。其次，文章展示了CVD衍生的3D石墨烯材料在各种能源相关设备中的应用。最后，作者提出了CVD合成的挑战和未来的发展机遇。

文献链接：Scalable chemical-vapour-deposition growth of three-dimensional graphene materials towards energy-related applications (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00852J）

7、Chemical Society Reviews综述：肽和蛋白质纳米颗粒结合物：用于生物医学应用的多功能平台

图7 多肽在确定NP功能和命运方面的重要作用

纳米粒子（NPs）的使用为开发更有效，更安全，更具商业价值的生物医学技术提供了新的机会。 无论是作为药物递送载体，高对比度显像剂还是主动治疗剂，纳米颗粒都能够为治疗，诊断或生物医学技术采取新的方法。近日，来自卡罗琳学院的Christopher D. Spicer和Molly M. Stevens（共同通讯作者）等人论述了肽和蛋白质在提高、控制和定义纳米技术性能方面发挥的关键作用。作者提供了关键序列和结构的全面概述，并提出用于为纳米构建提供生物和物理稳定性，将粒子引导至其靶标并影响其细胞和组织分布，诱导和控制生物反应，并形成多肽自身-组装纳米粒子的原理。作者最后强调了该领域取得的巨大进展和实现肽和蛋白质功能化的纳米药物递送载体时仍面临的挑战。

文献链接：Peptide and protein nanoparticle conjugates: versatile platforms for biomedical applications (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00877E）

8、Chemical Society Reviews综述：离子交换层状金属氧化物的软化学

图8 选择性分层氧化物的结构图

近年来，软化学反应工具箱已被用于合理设计和调整功能层状过渡金属氧化物的性质。逐层组装和插层化学提供了对稳定氧化物支撑的纳米粒子催化剂的共价相互作用的洞察。此外，人们也利用拓扑化学反应来调整层状钙钛矿氧化物的组成以破坏反转对称性，从而导致压电和铁电性质的变化。近日，宾夕法尼亚州立大学的Thomas E. Mallouk（通讯作者）等人重点介绍了使用软化学方法设计具有可调特性的功能性层状过渡金属氧化物。软化学反应使得功能材料的设计可用于各种领域，包括人造光合作用、催化作用、储能、燃料电池、光学传感器、铁电材料、k电介质等方面。另外作者对层状氧化物领域出现的新的方向和挑战进行了总结。首先，大多数过渡金属氧化物的纳米片是电子绝缘的；其次，软化学反应主要是开发用于含早期过渡金属的层状氧化物；第三，该技术仅在少数专业实验室中可用；最后，控制产生纳米片的剥离技术缺乏均匀的尺寸和可控的形状。

文献链接：Soft chemistry of ion-exchangeable layered metal oxides (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00290D）

9、Accounts of Chemical Research综述：MXene---能量存储器

图9 MXene的结构、形貌和电子状态

有效的电化学储能（EES）装置的开发是实现绿色电网的重要可持续性问题。特别是2011年发现的名为MXene的金属碳化物/氮化物纳米片是一类很有前途的插入赝电容器电极材料，因为它们用于材料研究的组成多样性而被用于高电流充电的高电导率以及超快离子嵌入的堆叠纳米片的分层结构。然而，由于对MXenes的电化学机理的理解有限，用于EES应用的MXenes的一般设计策略尚未建立。近日，来自东京大学的Atsuo Yamada（通讯作者）课题组论述了MXenes基本电化学性质的背景知识，并试图阐明插层电容结束和嵌入赝电容开始的位置。含水电解质中的MXene电极表现出水合阳离子的嵌入。水合阳离子形成电双层在层间空间中以在含水电解质的窄电位窗口内提供常规电容。当使用非水电解质时，溶剂化阳离子在充电初始阶段插入层间空间，但由于层间空间内部的巨大内部电位差，被限制的溶剂化壳层应逐渐崩溃。在进一步充电时，去溶剂化离子完全插入，去溶剂化阳离子的原子轨道重叠MXene的轨道组成一个捐助团体。供体带的形成诱导MXene的还原，可以通过从离子向MXene片材的电荷转移产生插入伪电容。

文献链接：MXene as a Charge Storage Host (Acc. Chem. Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00481）

10、Accounts of Chemical Research综述：富勒烯笼的内外成键

图10 金属富勒烯的结构图

富勒烯的亚纳米腔可以容纳多种金属原子或金属团簇，形成内面金属富勒烯，为阐明金属离子和碳原子之间的相互作用提供了理想的平台，电动势最明显的特征之一是电荷从金属转移到笼，这对于所得到的杂化分子的稳定性乃至笼碳原子的化学反应性而言是至关重要的。近日，来自华中科技大学的卢兴（通讯作者）等人讨论了富勒烯笼内部和外部的结合，密闭空间中团簇的行为以及内部和外部之间的相互作用等话题。EMFs和富勒烯的形成机制仍然存在争议。 识别具有相对较小或较大笼子的新结构应是有效的解决方案。此外，网箱内受限单元的外形操纵特别重要，因为这些结果可能产生革命性变化，例如信息存储和量子计算。最后，文章指出对EMF化学的深入研究将在不久的将来为目标应用带来巨大的衍生产品。 

文献链接： Bonding inside and outside Fullerene Cages (Acc.Chem.Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00014）

本文由材料人电子组杨超供稿，材料牛整理编辑。

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