材料前沿最新综述精选（2018年6月第3周）

1.Chemical Society Reviews: 多孔材料中设计单点和纳米封闭光催化剂用于环境和太阳能燃料的研究

图1 随着光催化剂尺寸的减小，带结构的改变以及限制在多孔材料如沸石，介孔二氧化硅和MOF中的等离子体激元催化剂上的LSPR激发示意图

二氧化硅基微米，中孔，大孔材料为设计单点光催化剂，支持半导体纳米粒子，锚定光响应金属配合物以及封装金属纳米粒子以利用其大表面积、可控的孔道、对UV / vis具有显著的透明度以及特殊的物理化学表面特性来驱动光化学反应提供了很好的路线。近日，大阪大学的Hiromi Yamashita和Kohsuke Mori以及巴黎第六大学的Michel Che（共同通讯）等人重点关注了二氧化硅负载的钛催化剂从单中心催化剂到纳米颗粒的光催化性能以及它们的表面化学工程如疏水改性和薄膜合成以及纳米催化剂的制备，包括具有局域表面等离子体共振的、形态可控的等离子体纳米结构。另外，文章还讨论了可见光响应性金属络合物与多孔材料的杂化以构建功能性无机-有机超分子光催化剂的研究。此外，作者还介绍了以MOF作为设计光催化系统的优秀主体的最新进展。

文献链接：Single-site and nano-confined photocatalysts designed in porous materials for environmental uses and solar fuels.(Chem Soc Rev, 2018, DOI: 10.1039/c8cs00341f)

2.Chemical Society Reviews：磷烯：用于多学科生物医学应用的下一代二维纳米平台

图2 磷烯的生物医学应用

磷烯也被称为单层或少层黑磷（FLBP），是二维（2D）材料族的新成员，近年来由于其独特的理化性质和优异的生物相容性而在光电子学，能量存储和生物医学领域引起了极大的关注。另外，由于其内在的荧光（FL）和光声（PA）性质以及可忽略的细胞毒性，FLBP被认为是用于癌症诊断的潜在生物成像剂。其独特的物理性质，例如近红外（NIR）光学吸光度，大的消光系数，可生物降解性和活性氧（ROS）或光照射时产生的热量，使得基于FLBP的光热和光动力疗法已经出现，并且已被人们证实确实具有优异的抗肿瘤治疗功效。此外，FLBP由于其具有超大表面积的起皱层结构而具有高载药能力，因而它还是一种非常有前景的药物递送平台，并且FLBP大小可控且易于进行表面化学修饰。由于FLBP纳米材料在生物医学应用中的显著优势，近日，高丽大学的Jong Seung Kim和深圳大学的张晗（共同通讯）等人介绍了用于多学科生物医学应用的FLBP纳米平台的最新进展和范例。

文献链接：Omnipotent phosphorene: a next-generation,two-dimensional nanoplatform for multidisciplinary biomedical applications.(Chem. Soc. Rev,2018,DOI: 10.1039/c8cs00342d)

3.Accounts of Chemical Research：分子方法在具有仿生特性的共轭聚合物中的应用

图3 共轭聚合物性质及应用概览

共轭聚合物（CPs）是一类具有独特光电特性的有机聚合物材料。它们可以通过氧化还原过程在绝缘状态和（半）导电状态之间可逆转换。重要的是，它们都是电子和离子导体，尤其是在水性介质中，离子交换对于理解生物实体和电子材料之间的相互作用至关重要。并且它们可以通过化学官能化在生物相容性，柔韧性和光学，电子，电化学和机械性能的可调性方面发现其他优势。由于上述性质，CP已被广泛认可为生物医学应用中的新型材料，并可在涉及生物学与人造电子学之间相互作用的材料生物电子学领域发挥重要作用。 其在组织工程，生物传感，药物递送和可穿戴电子设备等方面的应用需要仿生材料将生物系统（如器官，组织，细胞等）中的生理和化学过程转变成电信号，或者相反。 然而，软生物元素和刚性电子材料物理性质的差异则需要具有仿生特性的新型导电或电活性材料作为桥梁。

利用有机材料（如共轭聚合物）的软电子设备可为生物电子学带来许多重要特性。 在共轭聚合物的许多优点中，通过侧链工程来调节生物相容性，溶解性，功能性和机械性能的能力可以减轻机械失配的问题，并提供电子学和生物元件之间更好的界面。 另外，共轭聚合物通过可逆掺杂工艺使其兼具离子和电导性，为直接感应和刺激细胞，组织和器官中的生物过程提供了手段。近日，奥克兰大学的Jadranka Travas-Sejdic（通讯作者）等人重点关注了其团队在共轭聚合物分子工程方面的进展，讨论了基于具有长侧链的共轭聚合物的修饰，这些共轭聚合物具有可调仿生性能，如生物相容性，响应性，拉伸性，自愈性和粘附性。文章阐述了该研究团队通用和多功能的研究方法，即基于具有长侧链的共轭聚合物的官能化及应用。并指出共轭聚合物的分子工程学对研究具有离子和导电性以及下一代生物电子学所需的具有良好机械性能的有机电子产品极具前景。

文献链接：Molecular Approach to Conjugated Polymers with Biomimetic Properties.(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00596)

4.Advanced Energy Materials：用于电池的金属有机框架衍生碳

图4 四种MOF材料的代表性例子

近年来，基于金属 - 有机框架前体或模板的具有高孔隙率，高表面积和功能的碳和碳基材料的应用引起了人们极大的研究兴趣，特别是在电池研究中。 通过各种金属 - 有机骨架前体或模板的热处理获得的碳和碳基材料的化学和物理性质在一定程度上可以得到改善。 近日，扬州大学的徐强和庞欢（共同通讯）等人概述了金属 - 有机框架（金属/碳，金属氧化物/碳，氮掺杂碳，多孔碳等）衍生的碳材料的合成方法和电化学性能及其在电池中的应用。

文献链接：Metal-Organic Framework-Derived Carbons for Battery Applications.(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800716)

5.Energy & Environmental Science：无机固态离子导体的新视野

图5 锂离子电池性能表征

在新一代能源储存领域的竞争者中，全固态电池（ASSB）由于具有安全性高，能量密度高和循环寿命长的潜力而显得极具前景。大多数固体电解质相对较低的电导率以及固体电解质与电极层之间界面处的电荷转移动力学的缓慢过程被认为是ASSB面临的主要挑战。近日，吉森大学Jürgen Janek，滑铁卢大学 Linda F. Nazar，清华大学南策文院士，马普固态研究所Joachim Maier，CIC nergigune的 Michel Armand以及中科院物理所陈立泉院士（共同通讯）等人概述了固态锂离子和钠离子导体的现状，重点介绍了无机材料。解释了固体电解质组成，结构与电导率之间的相关性，并提出了提高离子电导率的策略。 特别指出，固体氧化物电解质的高晶界电阻是一个挑战。 除此之外，文章还阐述了它们在实际应用中的潜在问题。 同时讨论了固体电解质的化学和电化学稳定性，以及在一定程度上被忽略的化学机械效应。此外，作者还提出了改善ASSB实际性能的策略，包括优化固体电解质和电极材料之间的界面以改善稳定性和降低电荷转移阻力等。

文献链接：New Horizons for Inorganic Solid State Ion Conductors.(Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01053F)

6.Advanced Materials:医学可穿戴设备

图6 可穿戴设备用于医疗应用

作为医疗技术的可穿戴设备正在成为个人分析，测量身体状况，记录生理参数或通知用药时间表的组成部分。这些不断发展的技术平台不仅承诺帮助人们追求更健康的生活方式，还提供持续的医疗数据，以积极跟踪代谢状态，诊断和治疗。微型柔性电子设备，电化学生物传感器，微流体技术和人工智能算法的发展带来了可穿戴设备在物联网中生成实时医疗数据的过程。这些灵活的设备可以与表皮，眼睛，耳蜗内和牙齿界面相接触以收集生物化学或电生理信号。近日，慕尼黑工业大学的Ali K. Yetisen（通讯作者）等人讨论了可穿戴电子产品，商业和新兴设备以及制造方法中的消费趋势。阐述了使用生物传感器对生命体征的实时监测，及其用于药物输送的刺激响应材料以及闭环神经系统的过程。这些涵盖了增强、虚拟和混合现实，通信模式，能源管理，显示，符合性和数据安全等方面的未来挑战。面向患者的可穿戴技术的发展及其在随机临床试验中的应用将有助于设计更加安全有效的方法。

文献链接：Wearables in Medicine.(Adv.Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706910)

7.Advanced Materials: 基于无机p型半导体材料的光电探测器

图7 a）单个Zn₃As₂ NW基光电探测器的示意图。 b）由不同波长的光照射的单个Zn₃As₂NW光电探测器的I-V曲线; 插图显示了设备的SEM图像。 c，d）器件的动态I-t曲线。

光电探测器是现代光电探测系统的核心部分，具有众多的商业和科学应用。p型半导体材料在光电子器件中起着重要的作用。基于p型半导体材料的光电探测器由于其独特的性质近年来引起了研究者极大的关注。 近日，复旦大学方晓生（通讯作者）等人介绍了基于无机p型半导体材料的光电探测器的最新进展。 讨论并总结了包括光电导体，光电晶体管，同质结，异质结，p-i-n结以及基于无机p型半导体材料的光电探测器的金属半导体结在内的各种结构，同时强调了这个研究领域的未来发展方向。

文献链接：Photoelectric Detectors Based on Inorganic p-Type Semiconductor Materials.(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706262)

8.Progress in Materials Science:聚合物/ SiO₂纳米复合材料的制备及应用

图8 溶胶 - 凝胶法的示意图

目前，纳米复合材料（NC）的合成和制备已成为世界学术和工业研究的主要课题之一。NC是多组分体系，其包括基质以及一种或多种分散的填料。同时，后者在至少一个维度上具有100纳米以下的尺度。根据所用基体的类型，NC可以分为三大类，包括陶瓷基体（如Al₂O₃，SiO₂），金属基体（如Fe，Mg）和聚合物基体。包含无机部分作为纳米填料和聚合物作为有机基质的聚合物NCs正在成为21世纪的重要材料。所有类型的聚合物都可以选择为包含热塑性塑料，热固性塑料，弹性体，甚至聚合物共混物的基体。

目前，纳米复合材料（NC）是最具吸引力的材料，它们几乎存在我们生活的各个方面。在不同类型的NC中，基于聚合物的NC是其中的重要代表，并且具有更多的附着物。聚合物不仅可以通过容易且相对廉价的途径制备，并且具有许多有利的性质，例如轻质，延展性和柔韧性。 而聚合物/二氧化硅NC（PSNC）更是因为具有出色的性能而吸引了人们的关注。近日，伊斯法罕理工大学的Shadpour Mallakpour（通讯作者）等人阐述了这些NC的纳米构建及其制备方法。主要集中在NC的制造策略上，文章最后讨论了最新提出的其最重要的属性和相关的实际应用。

文献链接：Polymer/SiO₂ nanocomposites: Production and applications.(Prog. Mater. Sci. 2018, DOI：10.1016/j.pmatsci.2018.04.002)

9.Joule: 用于多结太阳能电池的高带隙钙钛矿材料

图9 具有钙钛矿结构的多结太阳能电池配置示例

用于多结太阳能电池的高带隙（> 1.7 eV）混合卤化物钙钛矿通常受光诱导相分离的影响，而引发对开路电压有害的子带隙缺陷。尽管可以逆转这种效应，例如当将电池置于黑暗中时，但具有增强稳定性的新钙钛矿组合物依然很重要。近日，洛桑联邦理工学院的Terry Chien-Jen Yang（通讯作者）等人综述了传统的基于甲基铵和甲脒的混合卤化物之外的组成可能。这些可选的吸收剂组合物包括：（1）分层或准2D钙钛矿，其中较大的有机阳离子结合到结构中; （2）无机钙钛矿（即有机组分全部被除去时）;和（3）无铅结构，其中有毒的铅被一种或多种元素取代。作者考虑到多结太阳能电池的整合，同时讨论了基于这些成分的高效和稳定的钙钛矿材料的发展前景。

文献链接：High-Bandgap Perovskite Materials for Multijunction Solar Cells.(Joule,2018,DOI:10.1016/j.joule.2018.05.008)

10.Advanced Materials: 生物力学交互材料和界面

图10 生物界面上机械线索的复杂网络

具有可编程功能的生物医学材料的飞速发展显著推动了医学科学和技术的进步，这主要是通过调节其界面处的生物物理化学相互作用实现的。传统上，生物响应材料可以响应多种生物医学应用中的病理生理学条件，包括pH，氧化还原，缺氧，ATP等先天生物信号和病理异常葡萄糖和酶。近年来，生物机械应答材料作为生物应答材料的一个有前景的子类别出现，当受到生物力学刺激（身体运动，心脏跳动，血流等）时可以实现生物医学功能，如药物输送和医疗保健监测等。它通过利用生物力学刺激在开发高性能生物力学响应材料方面引起了巨大的关注，这些生物力学刺激产生于推动，拉伸和弯曲等身体动作以及细胞收缩性以激活编程功能的执行。

工程材料与生物界面的相互机械作用早已在生物医学应用中被观察和利用。它有助于生物力学响应材料和生物力学刺激材料的兴起，可以构成生物力学的交互界面。近日，南洋理工大学的陈晓东（通讯作者）等人介绍了可用于机械响应界面的内源性和外源性生物力学刺激，并概括了它们的机械响应，包括变形和体积变化，物理和化学键的机械操纵，组件的解离以及与热反应性的耦合等。然而，机械刺激材料能够提供包括刚度，粘弹性，几何约束和机械载荷的机械提示，以通过适应性细胞机械转导来调节活组织的生理和病理行为。生物力学交互材料和界面广泛应用于机械手术治疗和诊断，自适应生物物理传感器，生物整合软启动器和机械负压组织工程等领域，为精密和个性化医疗提供了前所未有的机遇。

文献链接：Biomechano-Interactive Materials and Interfaces.(Adv. Mater. , 2018，DOI: 10.1002/adma.201800572)

11.Advanced Materials: 能源收集研究：从单一来源到多源

图11 a）ABO₃结构钙钛矿和b）有机硫化物钙钛矿（例如CH₃NH₃PbI₃）晶胞示意图。

能量收集技术可被视为取代电池并为无线传感器网络提供长期电源的最终解决方案。回顾其研究历史，单个能源收集器将单一能源转化为电力是首先开发的，其次是为多种能源设计的混合对应设备。最近，人们提出了一种真正的多源能量收集器的概念，该收集器仅由一块材料构成，作为能量转换组件。近日，奥卢大学的白洋（通讯作者）等人从材料和设备配置的角度详细阐述了能量收集的研究。它涵盖单一来源设备，包括太阳能，热能，动能和其他类型的能量收集器，针对单个和多个能源以及单个材料和多源能量收集器的混合能量收集配置。此外还包括光伏，电磁，压电，摩擦电，静电，电致伸缩，热电，热电，磁致伸缩和电介质器件的能量转换原理。这是迄今为止进行的最全面的综述之一，文章侧重于整个能量收集的研究，并提供了从科学界各个角落寻求更深入和更具体的研究参考资料和资源的指南。

文献链接：Energy Harvesting Research: The Road from Single Source to Multisource.(Adv. Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201707271)

本文由材料人纳米组Jing供稿，材料牛整理编辑。

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