材料前沿最新综述精选（2018年6月第1周）

1、Joule：几何位置在二维材料储能中的作用

图1 二维材料应用于能量存储的示意图

二维（2D）材料因其具有独特化学和电子性质而被用于充电电池的电极材料，以满足日益增长的对更高功率和能量密度的要求。在二维纳米片内创建新的几何缺陷并构建由这种片材制成的三维分层材料是进一步改善电化学性能的有效策略。这个新出现的学科结合了数学概念、材料设计工程和电化学，它们可以被称为新颖的“几何驱动”能量存储。近日，北京交通大学王熙（青年千人、通讯作者）团队提出了“几何驱动”概念，以阐明与2D材料中各种几何位置相关的机制，以改善其电化学性能。强调了从二维材料构建的分层材料，如三维皱褶纳米粒子、纳米花和异质结构；总结了原位透射电子显微镜（TEM）技术在理解二维材料中几何位置效应机制方面的应用；最后，文章讨论了关于材料设计的几何概念，性能预测的理论计算以及用于揭示电化学机制的现代TEM技术的一些观点。

文献链接：The Role of Geometric Sites in 2D Materials for Energy Storage (Joule,2018,DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.027）

2、Progress in Materials Science: 基于聚氨酯纳米复合材料的气体阻隔膜、涂料、特性和潜在应用

图2 合成石墨烯及其衍生物的不同技术

聚氨酯是特殊和多用途的高分子材料，具有优异的柔韧性、弹性、良好的撕裂强度、良好的耐磨性和热封性。凭借其可裁剪的特性，聚氨酯可应用于涂料、粘合剂、密封剂、泡沫、油漆、清漆和皮革等。然而，大多数这些聚合物不具有低温柔韧性，耐气候性，弯曲疲劳性，粘合性等性能，而且它们中的许多不能热封。近日，来自印度理工学院的Mangala Joshi（通讯作者）团队研究了聚氨酯及其基于纳米复合材料的气体阻挡膜和涂层；讨论了通过PU和PUNC的小气体分子的可能运输机制；研究了PU的基本化学性质和PU的结构和形态对其气体阻隔性能的影响；重点介绍了通过聚合物纳米复合材料预测气体渗透性的各种模型；最后，文章特别关注了PUNC基薄膜和涂层的潜在工业应用。

文献链接：Polyurethane nanocomposite based gas barrier films, membranes and coatings: A review on synthesis, characterization and potential applications(Prog. Mater. Sci.,2018,DOI: 10.1016/j.pmatsci.2018.05.001）

3、Advanced Materials: 生物集成光电器件的最新进展

图3 使用不同方法的柔性/可拉伸电子器件示例

发光二极管（LED）、激光器、太阳能电池和光电探测器等先进光电子器件已广泛应用于能源、通信和医疗保健等领域。最近，定制光电子器件和生物系统的集成受到了重视，这些材料和器件不仅对生物界面处的光物质相互作用提供了基本影响，也为传感、诊断和治疗提供了新的机会。近日，来自清华大学盛兴和香港中文大学Ni Zhao（共同通讯作者）等人总结了生物集成光电子平台的核心材料技术，介绍了用于形成柔性和可拉伸形式的半导体材料和器件的设计和制造方法，讨论了结合各种异质衬底、界面和密封剂的策略，强调了它们在仿生、可穿戴和可植入系统中的应用。

文献链接：Recent Advances in Biointegrated Optoelectronic Devices (Adv.Mater.2018,DOI: 10.1002/adma.201800156）

4、Chemical Reviews：有机半导体共轭聚合物的固定方法

图4 去溶解方法总结

有机场效应晶体管（OFET）、有机发光二极管（OLED）和有机光伏（OPV）电池等有机电子器件的功能和性能不仅取决于有机半导体的分子结构。而且与加工和形成的形态有关，无论是OLED还是OPV电池，重要的挑战是有机层的连续沉积。近日，来自海德堡大学的Uwe H. F. Bunz（通讯作者）团队介绍了通过去溶解策略获得的不溶性聚合物有机半导体的合成路线和性质，介绍了不同的去溶解策略并讨论了各种方法的优缺点。第一个应用是有机光伏电池中固定供体-受体本体异质结形态，电荷传输材料和发光二极管以及形态在场效应晶体管中的固定；第二个重要应用是有机半导体的结构化，将其用作光刻胶。

 文献链接：Immobilization Strategies for Organic Semiconducting Conjugated Polymers (Chem. Rev.,2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00063）

5、Chemical Reviews：超级原子团簇——构建材料的潜力和设计原则

图5 原子示意图

在过去的40年中，由几个到几千个原子组成的原子团体作为纳米粒子出现，其结构和性质一次可控制一个原子。这些研究不仅使人们对从集群到晶体的演化有了相当的了解，而且还揭示了许多不同寻常的尺寸特性，这使得集群科学本身成为一个跨学科领域，从而将物理学，化学，材料科学，生物学和医学结合起来。近日，弗吉尼亚联邦大学Puru Jena（通讯作者）等人重点关注了群集与相应批量分开设置的属性，描述了不同的电子计数规则如何导致设计稳定的簇，模拟原子的化学性质，作者强调了用于能源应用的集群启发材料，揭示了潜在的挑战以及对集群科学未来的展望。

文献链接：Super Atomic Clusters: Design Rules and Potential for Building Blocks of Materials (Chem. Rev.2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00524）

6、Chemical Reviews：非晶微孔聚合物的二氧化碳捕获和分离

图6  用于CO₂捕获和分离的微孔材料示意图

碳捕获和封存技术是研究的重要领域之一，这其中就需要开发吸附过程和膜的新固体等内容。人们对可以改装到二氧化碳点源的技术特别关注，包括发电厂和其他工业过程，这占到了美国排放的二氧化碳总量的约50％。除了发电厂之外，二氧化碳分离对于天然气、沼气升级和采油的应用非常重要。近日，来自佛罗里达大学的Coray M. Colina（通讯作者）等人重点描述了原子分子模拟的进展，以设计和评估无定形微孔聚合物材料用于CO₂捕集和分离。文章提供了原子分子模拟的描述，包括模拟技术、结构生成方法、弛豫和平衡方法以及验证模拟样品所需的考虑因素等。此外，作者还提供了一般的指导方针，以促进无定形微孔聚合物在二氧化碳捕集和分离过程中的发现和筛选。

文献链接： Modeling Amorphous Microporous Polymers for CO₂ Capture and Separations (Chem. Rev.2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00691）

7、Chemical Society Reviews：半固态&固态路易斯对催化剂

图7 半固体和固体FLPs的化学过程示意图

均相路易斯对由于它们对于小分子的活化所具有的潜力而引起了人们对无金属催化剂的极大关注。对于许多先进的有机合成，自由基化学和聚合反应，人们已经广泛探索了许多这些均相FLP。这些FLP可以有效地用于各种不饱和底物的氢化，受到这些均相催化体系实质性进展的启发，非均相FLP催化剂（包括半固体催化剂和全固体催化剂）也成为一个不断发展的领域。近日，来自西安交通大学的瞿永泉（通讯作者）等人重点介绍了在非均相FLP催化剂方面所取得的进展，以及在半固体和全固体FLP催化剂上构建可修饰的界面FLP样活性位点的策略，还讨论了合成化学中这些催化剂进一步发展所面临的挑战。

文献链接： Semi-solid and solid frustrated Lewis pair catalysts (Chem.Soc.Rev.2018,DOI: 10.1039/C7CS00691H）

8、Chemical Society Reviews：纳米设计的半导体，用于二氧化碳的电光催化转化

图8 半导体纳米催化剂用于电子和光电化学还原二氧化碳的重要进展

由于二氧化碳浓度逐渐增加导致的气候危害，因此开发高效二氧化碳转化的新型催化剂具有重大的研究意义。在各种类型的催化剂中，半导体已被广泛用作电和光电二氧化碳转化的有效候选者。最近，随着新兴的纳米技术和先进的表征技术的出现，人们在基于半导体催化剂的高效和清洁的二氧化碳转化方面取得了巨大成就。近日，天津大学巩金龙（通讯作者）等人对该领域进行了系统的综述，包括用于电化学和光电化学二氧化碳转化的半导体催化剂的合理设计等。文章讨论了二氧化碳反应路径机理认识的发展和工业生产可行性的最新进展。此外，作者还概述了电-光催化CO₂转化的挑战和未来前景。

文献链接：Nano-designed semiconductors for electro- and photoelectro-catalytic conversion of carbon dioxide (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C8CS00016F）

9、Chemical Society Reviews：采用多元金属硫化物纳米晶体的太阳能采光

图9 半导体太阳能采光系统的基本类型

太阳能采光可以分为两个并行的，有时是交织在一起的区域。 一个是实现人工光合作用的概念，即将广泛丰富的化合物-水，N₂，CO₂等转化为化学产物，然后再加以释放，作为有价值的化学合成原料合成，太阳能可以直接作为驱动力用于化学物质的各种破坏性大的光催化转化，例如分解空气和水中各种持久性有机和无机污染物和有害生物。第二个领域是将太阳能光能转化为太阳能电池中的电力。太阳能电池的主要成分是一种光吸收剂，它将光生电子和电子空穴-空穴提供给电路，从而导致光电流的产生。近日，来自乌克兰国家科学院的Oleksandr Stroyuk（通讯作者）课题组综述了多元金属硫化物纳米晶体的合成及其作为光吸收系统的光吸收或辅助组分的应用现状。讨论了多元金属硫族化合物NCs的光吸收和光物理性质的一般方面，并对金属硫族化合物NC-基太阳能光伏和光化学领域的最新进展提出了最有效的方法。

文献链接：Solar light harvesting with multinary metal chalcogenide nanocrystals (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C8CS00029H）

10、Accounts of Chemical Research：硫醇盐保护的金属纳米团簇完全合成

图10 金属NC的全合成路线图

全合成是人类不断努力一个主要的方向。它指的是一种理想的合成实践，可以通过简单易行的前体以原子精度生成所需的有机和/或生物分子。更重要的是，它具有沿着目标分子合成路线的逐步反应的已知化学特征。近日，来自新加坡国立大学的谢建平（通讯作者）等人讨论了引入和开发原子级精确金属纳米团簇（NCs）的全合成路线和机制方面的最新进展。原子级精确的金属NCs可以被视为“分子金属”，可以在各种实际领域如生物医学，能源，催化作用等领域中应用。金属NCs的类分子性质受其尺寸和组成的敏感性影响，表明它们的完全合成是可靠实现其实际应用不可或缺的基础。

文献链接： Toward Total Synthesis of Thiolate-Protected Metal Nanoclusters (Acc. Chem. Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00065）

11、Accounts of Chemical Research：钠-氧电池的最新进展：从化学视角观察

图11 各种组分对Na-O₂电池中产物组成和形态影响的示意图

由于人类广泛使用化石燃料而导致过去几十年来地球温度的升高，地球温度上升可能会带来一系列环境变化，包括气候变化和海平面上升，进而危及地球上的文明。因此，以更可持续的能源替代化石燃料已被视为应对全球变暖危机的主要策略之一。开发插电式电动车辆（PEV）作为内燃机的替代品已经成为人们的广泛追求，但是，目前可用的电池系统无法满足能量存储的需求。近日，来自西安大略大学的孙学良（通讯作者）等人总结了作为碱金属-O₂族中的Na-O₂电池中所有组分的基础化学的最新发现和遇到的挑战。文章指出，Na-O₂电池表现出了独特的电化学机理，其中，可用电解质溶剂的不稳定性被认为是最重要的挑战，这会影响这种电池的循环性能。此外，人们对Na-O₂电池其他成分的研究更具争议性，这主要是由于钠及其氧化物的高化学反应性。

文献链接：Recent Advances on Sodium–Oxygen Batteries: A Chemical Perspective (Acc. Chem. Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00139）

本文由材料人电子组杨超供稿，材料牛整理编辑。

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