材料前沿最新综述精选(2018年3月第4周)

1、Advanced Materials 综述：神经干细胞再生的纳米材料医学：神经疾病的影像与治疗

神经疾病的病人越来越多，由于受损组织的神经元缺失，导致病人很少被治愈。这种情况使得受伤和带病组织的有效恢复和重生需要选择治疗策略。神经干细胞具有多功能性、自我更新能力和多向分化潜能。这提供了一种治疗神经疾病的有效方案。但是目前对于神经干细胞的移植方案仍具有挑战性，这包括追踪它们的寿命、监测它们与组织环境的相互作用和反应性以及进而评估它们的治疗效果。纳米材料作为创新材料可以提高神经干细胞修复药剂的功能效果，其特殊的物理化学性能能够提供一种空前的方案，用来治疗这种疾病。人们为利用纳米材料的优势将其引入神经元细胞的临床治疗研究做出了巨大努力。近日，同济大学的陈炳地、朱融融和程黎明（共同通讯）等人总结了纳米材料与神经干细胞的结合对神经疾病的治疗中面临的问题及其解决方案。文章总结了纳米材料在神经疾病上的应用潜力及其在病变组织恢复的治疗机理。这为神经干细胞的寿命和病变组织的恢复提供了新的治疗方法。

图1 中枢神经系统疾病细胞治疗的主要问题

文章链接：Nanomaterials in Neural-Stem-Cell-Mediated Regenerative Medicine: Imaging and Treatment of Neurological Diseases(Adv. Mater. ,2018, DOI: 10.1002/adma.201705694)

2、Corrosion Science 综述：316L不锈钢的表面机械研磨处理对氧化的影响

研究表明，高温时，表面机械研磨对于316L不锈钢的抗氧化性具有优异效果。从700℃到750℃时，表面机械研磨处理后，样品的氧化动力学与氧化铬的择优生长具有相关关系。这主要是因为316L不锈钢的表面经过机械研磨处理后，转变了主要氧化物相，抑制了赤铁矿的生长以及促进氧化铬的形成。近日，特鲁瓦工程技术大学的B. Panicaud（通讯作者）等人总结了高温下机械表面研磨处理对316L不锈钢的影响。文章比较了不同氧化层的成分、形貌和氧化机理，未处理样品的氧化机制。通过分析可知表面机械研磨处理对316L不锈钢的抗氧化性具有很好的效果。机械处理细化晶粒尺寸能够解释处理后抗氧化性的实验结果。

图2 316L不锈钢横截面的EBSD图像

文章链接：Influence of Surface Mechanical Attrition Treatment on the oxidation behaviour of 316L stainless steel(Corros. Sci. ,2018, DOI: /10.1016/j.corsci.2018.03.007)

3、Nature Reviews Materials 综述：钠离子电池的成本与资源分析

由于钠离子电子的成本较低，因此可以用来替代锂离子电池。但是钠离子电池的成本优势仍有争论。因此本文采用电池性能和成分模型，去讨论钠离子电池和锂电池的成本问题，即全电池中钠替代锂离子电池中的锂负极集流体。本文比较了锂电池和钠电池的生产成本，发现锂电池的正极原材料存在潜在的供应风险，因为供应问题可能导致成本增加。同时锂和钴的资源供应存在风险。本文提供了钠离子电池广泛和跨学科的视角及未来的发展方向。近日，来自卡尔斯鲁厄理工学院的Daniel Buchholz和Stefano Passerini（共同通讯）等人分析发现，电池中钠替换锂并不能直接降低电池的成本。但是锂资源短缺和价格有了很大的提升，相对来讲，钠资源丰富，价格低。因此，对于负极材料，钠离子电池将铜集流体转换成铝集流体，最后降低了电池的价格。对于正极材料，容量具有进一步提高的潜力。因此钠离子电池是解决能源问题的有效方法之一。

图3 钠电池与锂电池的成本对比模型

文章链接：A cost and resource analysis of sodium-ion batteries(Nat. Rev. Mater. ,2018, DOI: 10.1038/natrevmats.2018.13)

4、Chemical Society Reviews 综述：纳米纤维素在先进电化学储能中的应用

纳米纤维素由于其具有的独特结构，因此是一种很有潜力的纳米材料。本文简述了纤维素纳米纤维的结构特征。强调了使用一系列方法制备的纳米纤维素的特定结构和表面化学性能，及其在超电、锂电、锂-硫电池和钠离子电池中的应用。纳米纤维材料在与其他材料整合后，作为混合基体，热裂解后形成碳材料，可以活化增加官能团，杂质原子掺杂及其他活性物质杂化。近日，哈尔滨工程大学的范壮军（通讯作者）等人讨论了近几年来纳米纤维素的特殊结构和可持续的性能，及在电化学能源领域中纳米纤维素的发展。总结了纤维素结构的合成、结构设计、官能团设计，及其在先进能源系统中的应用。

图4 纳米纤维素的合成、结构和功能设计在能源领域的应用

文章链接：Nanocellulose: a promising nanomaterial for advanced electrochemical energy storage(Chem. Soc. Rev. ,2018, DOI: 10.1039/c7cs00790f)

5、Chemical Society Reviews 综述：液态金属的生物医学应用研究

目前，液态金属在许多领域具有广泛的应用，例如：电子、工程和能源领域。在过去的十年里，材料的物理和化学性能得到了广泛的理解，例如：低粘度、良好的流动性、高的电子导电性、生物相容性。其中，镓、镓基低熔点合金，在生物领域已经获得了广泛的关注。本文介绍了液态金属的独特性能，讨论了其在临床应用中的挑战。近日，来自北卡罗来纳大学教堂山分校、北卡罗莱纳州立大学的Gu Zhen和江苏省原子医学研究所的杨敏（共同通讯）等人总结并重点介绍了液态金属的组合的流动性、变形性、生物相容性，这些性能使它们在生物医学上具有很好的应用前景。同时，液态金属因其具有很好的变形能力而能够被用来制作软体机器人，变形材料制备的机器人。但在微血管中，这种软机器人的制备变得困难。根据最新的液态金属研究成果，其具有高粘度、自我激励的行为、持久的动力，由于它们的独特性能和良好的流动性和变形性能，因此是制备血管机器人的潜力材料。

图5 液态金属及其镓基液态金属在生物医药领域的应用

文章链接：Advances in liquid metals for biomedical applications(Chem. Soc. Rev. ,2018, DOI: 10.1039/c7cs00309a)

6、Chemical Society Reviews 综述：光化学和光物理结构：基于MOF的传感功能的光化学和光物理研究

MOF具有的高比表面积和结构隧道性对于传感器的发展特别重要。其中，MOF的捕光能力和光催化性能能够增强材料的传感性，此外，MOF的光物理性能能够提高传感器的有效性和选择性。因此本文主要关注传感器的最新研究进展。近日，南卡罗来纳大学的Natalia B. Shustova（通讯作者）等人总结了MOF在新型传感器上的应用潜力。目前MOF的光物理和光化学潜力，加速了光的捕捉、能量额转换和光催化的研究，进而揭示了此种传感器的优势。自然光转换模型能够用来整合光物理过程，单个MOF基材料能够创建传感平台。但是将所有讨论的性能集成到一个材料中，制成一个传感设备，仍然是一个无穷无尽的挑战。

图6 自然光作用的示意图，可用于提高效率的下一代基于MOF的传感装置示意图

文章链接：Photochemistry and photophysics of MOFs: steps towards MOF-based sensing enhancements(Chem. Soc. Rev. ,2018, DOI: 10.1039/c7cs00861a)

7、Chemical Reviews 综述：二维纳米材料在电催化中的最新进展

在过去的几十年里，先进催化材料的设计和发展对于能源转换效率的影响，得到了广泛的研究。随着石墨烯的发现，二维纳米材料的兴起，出现了许多具有独特物理结构、化学性能和电性能的催化材料。因此，本文总结了二维催化剂的催化过程，包括：水循环、碳循环和氮循环，及其多功能应用。本文关注不同二维纳米材料的合成策略，及其对材料本身性能的影响。文章还提出了二维纳米材料在催化领域的机遇与挑战。近日，阿德莱德大学的乔世璋和Zheng Yao（共同通讯）等人重点介绍了燃料电池和（光电）电催化水裂解，下一代的动力和燃料生产工艺。由于这些技术的商业化，快速反应和高产率需要一系列的高性能催化剂。因此需要对基础理论、概念和催化的知识有更深的理解。这对于迫切需要这些催化剂的分子设计具有重要意义。展望未来，理论理算和实验电化学测试方法相结合能够促进先进光谱表征并帮助新催化剂的设计和生产。

图7 二维纳米材料的特点和应用

文章链接：Emerging Two-Dimensional Nanomaterials for Electrocatalysis(Chem. Rev. ,2018, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00689)

8、Chemical Reviews 综述：体异质结有机太阳能电池的非富勒烯受体分子的研究

体异质结中电子给体和电子受体的混合是溶液处理有机光伏器件的重要成分。在过去的10年里，P型的共轭聚合物和N型的富勒烯衍生物是最广泛的电子给体和电子受体。但是新聚合物给体的设计决定了材料的性能，富勒烯衍生物通常作为有机太阳电池的电子受体。最近，非富勒烯受体材料，尤其是小分子和低聚物在替代富勒烯材料方面具有很好的应用。相对于富勒烯材料，这些新受体具有合成多元化、成本低、很好的化学性能、热力学性能和光学稳定性。最近的5年里，有超过100种非富勒烯受体被合成，制成的有机太阳能电池效率，从2012年的小于2%，增长到2017年的高于13%。本文总结了这个过程，分析了其设计思路，揭示了结构与性能之间的关系，提出了该领域面临的挑战，展望了有机太阳能电池的前景。近日，香港科技大学的颜河（通讯作者）等人重点介绍了非富勒烯受体在有机太阳能电池上的应用。多样的合成方法提供了分子设计战略，提供了低成本的合成路线，获得了100多种非富勒烯材料。这种材料结合其他聚合物或者分子给体，形成了多样的有机太阳能电池，包括：二元、三元的单异质结和多异质结的电池。这不仅提高了转换效率，也提高了其化学、热力学和光学稳定性。

图8 非富勒烯受体分子的应用领域

文章链接：Nonfullerene Acceptor Molecules for Bulk Heterojunction Organic Solar Cells(Chem. Rev. ,2018, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00535)

9、Accounts of Chemical Research 综述：卤化铅钙钛矿太阳能电池中小分子作为空穴传输材料的研究进展

目前，已经有超过100种新的有机半导体分子被合成，钙钛矿太阳能电池中的并作为空穴传输材料（HTMS）。但是，截止目前，spiro-OMeTAD仍然是钙钛矿电池最好的选择。但是，spiro-OMeTAD材料存在不稳定、使用成本较高的问题。HTMs的新型合成路线应该是合成步骤较少，最高的自用分子轨道和最低的非占用分子轨道的化学合成方法，同时能够扩大商业用途。当前的工作聚焦于芳胺、咔唑和噻吩等优异化学结构的有机半导体性能。近日，巴塞罗那科学技术学院的Anton Vidal -Ferran和Emilio Palomares（共同通讯）等人讨论了HTMs的设计和合成在钙钛矿太阳能电池中的迫切需求。尽管HTMs的显性材料是spiro-OMeTAD，但本文总结了几种分子，与spiro-OMeTAD相比，它们具有更高的稳定性。文章同时总结了钙钛矿材料与HTM界面的作用。当spiro-OMeTAD在太阳能电池中的表现与HTMs不同时，HOMO存在能级的差异问题。同时载流子损耗的研究是非常重要的。幸运的是，官能团数量的增多，有助于新材料的快速增长。在未来钙钛矿电池的研究中，关于spiro-OMeTAD的取代是一个有意义的研究。

图9 钙钛矿电池的层状结构示意图

文章链接：Advances in the Synthesis of Small Molecules as Hole Transport Materials for Lead Halide Perovskite Solar Cells(Acc. Chem. Res. ,2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00597)

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