材料前沿最新综述精选(2018年7月第1周)

1、Advanced Functional Materials综述: ZnS用作光电器件和催化剂的设计原理及工艺

图1 ZnS设计原理示意图

ZnS作为一种宽带隙半导体，由于其优异的物理化学特性，包括极性表面，高透光率，良好的电子迁移率，电荷传输性能，热稳定性等，因此在显示技术，发光器件，传感器，太阳能电池，生物设备等多种应用领域具有巨大潜力。近日，复旦大学的方晓生教授(通讯作者)等人概述了ZnS作为新型光电材料的设计原理和制备工艺。ZnS的最新进展使其能够广泛而有效地用于多种领域，包括透明导体，紫外光电探测器，发光器件和催化剂，基于ZnS的新型材料也涌现出新的功能器件。文章表述了对ZnS材料进展的科学见解，同时也对这个领域的未来机遇做出了展望。

文献链接：Design Principles and Material Engineering of ZnS for Optoelectronic Devices and Catalysis (Adv. Funct. Mater., 2018，DOI：10.1002/adfm.201802029）

2、Advanced Materials综述: 有机光伏材料研究进展

图2 分子链结构示意图

在过去三十年中，光伏器件有机半导体的发展收获了意想不到的性能，从而可用于替代将阳光转换为电的材料。新材料和开发概念提高了有机光伏器件的光电压，同时也将光电转换效率提高到13％以上。近日，来自瑞典林雪平大学的Olle Inganäs (通讯作者)概述了有机光伏材料三十年来的研究进展。作者在文中研究了取代聚噻吩，报告了热致变色以及场效应晶体管性能。聚噻吩在有机发光二极管（OLED）中发光的化学和结构设计的简洁性使其成为获得新功能的合适工具。聚噻吩可用于整个可见光范围内的发射和吸收，以及紫外和近红外的部分吸收。

文献链接：Organic Photovoltaics over Three Decades (Adv. Mater. , 2018，DOI：10.1002/adma.201800388）

3、Advanced Energy Materials综述: SOFC电极微结构的研究进展

图3 原子结构示意图

开发能够在较低温度下更好地发挥功能以满足低成本制造的新型燃料电池阴极阳极材料引起了科学家们的广泛关注。对于阳极，固体氧化物燃料电池（SOFC）能够更为高效地利用普通燃料，避免高利用率下的结焦、硫中毒或抗氧化性。近日，来自圣安德鲁斯大学的John T. S. Irvine和Paul A. Connor (共同通讯作者)等人概述了在考虑光谱和表面特性的前提下，通过浸渍法来优化电极材料的研究进展。此外，作者还回顾了近几年科学们为优化阴极和阳极功能而做出的努力。最后作者探讨了SOFC中浸渍法所面临的挑战和机遇。

文献链接: Tailoring SOFC Electrode Microstructures for Improved Performance (Adv. Energy Mater. , 2018，DOI：10.1002/aenm.201800120）

4、Energy & Environmental Science综述：电化学太阳能制氢技术的研究进展

图4 太阳能制氢示意图

近日，来自加州大学欧文分校的Shane Ardo、纽约大学的Miguel Modestino以及特文特大学的David Fernandez Rivas和Verena Schulze Greiving (共同通讯作者)等人概述了以光电化学或光伏驱动电解装置和系统的形式进入市场的太阳能制氢技术。作者详细介绍了设备和系统架构，经济驱动因素，社会认知，政治影响，技术挑战和研究机会等方面。在短期内，唯一合理的经济选择是将光伏驱动的电解系统用于小众应用。从长远来看，电化学太阳能制氢技术可以更广泛地应用于能源市场，但需要技术的进步和成本的大幅降低。

文献链接：Pathways to Electrochemical Solar-Hydrogen Technologies (Energy Environ. Sci. , 2018，DOI：10.1039/C7EE03639F）

5、Nature Communications综述：高掺杂上转换纳米材料的研究进展

图5 上转换纳米粒子中浓度猝灭示意图

镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）能够将近红外激发转化为可见光和紫外发射。其独特的光学特性已被应用到多种领域，如荧光显微镜，深部组织生物成像，纳米医学，光遗传学，安全标记和体积显示等。然而，浓度猝灭效应对上转换发光的限制阻碍了大量掺杂剂UCNP的研发。近日，来自澳大利亚悉尼科技大学的金大勇教授、新加坡国立大学的刘小钢教授和波兰科学院的Artur Bednarkiewicz (共同通讯作者)等人概述了高度掺杂UCNPs的研究进展。文中作者重点介绍了避免浓度猝灭效应的方法，并讨论了新的光学性质以及这些纳米粒子所实现的新兴应用。

文献链接：Advances in highly doped upconversion nanoparticles (Nat. Commun. , 2018，DOI：10.1038/s41467-018-04813-5）

6、Nature Reviews Materials综述：薄膜太阳能电池中的点缺陷工程

图6 晶体结构和电子能带结构示意图

光伏材料中的缺陷控制工程对于研发高效太阳能电池和相关的光电器件尤为关键。在下一代太阳能应用中的许多种材料，包括金属氧化物，硫族化合物和卤化物，每种技术都可以从点缺陷工程中受益。近日，来自韩国延世大学的Aron Walsh (通讯作者)等人回顾了从Si基光伏到薄膜CdTe和Cu（In，Ga）Se2技术以及最新一代卤化物钙钛矿和锌黄铁矿器件的点缺陷行为演变。作者讨论了缺陷化学的化学键与太阳能电池中电荷载体的生成，捕获和复合的光物理学原子过程。最后，文章概述了在复杂半导体材料中实现缺陷控制的一般原则。

文献链接：Point defect engineering in thin- film solar cells (Nat. Rev. Mater. , 2018，DOI：10.1038/ s41578-018-0026-7）

7、Chemical Society Reviews综述：丝基材料及生物纳米技术器件

图7 蚕丝微观结构示意图

丝绸是由蚕和蜘蛛纺制的天然纤维蛋白质聚合物。丝素蛋白可以从家蚕的茧中提取，并与其他生物材料协同结合形成生物聚合物。随着重组DNA技术的发展，丝绸也可通过遗传控制进行合理的设计和合成。丝蛋白可以在含水环境中加工成各种材料形式，包括薄膜，海绵，静电纺垫和水凝胶。近日，来自美国塔夫斯大学的David L. Kaplan 和Fiorenzo G. Omenetto (共同通讯作者)等人系统地回顾了丝基材料在生物纳米技术中应用的研究进展。作者重点介绍了在组织工程，可降解装置和控释系统领域的体外和体内应用的制造及功能化方法。

文献链接：Silkworm silk-based materials and devices generated using bio-nanotechnology (Chem. Soc. Rev. , 2018，DOI：10.1039/C8CS00187A）

8、Chemical Society Reviews综述：可穿戴技术的电化学储能装置——材料选择和电池设计的基本原理

图8 CNT和石墨烯膜集电器示意图

可穿戴设备是一种需要能够承受各种机械变形，同时发挥其预期功能的兼容能量存储设备。这对电池的结构设计，材料选择和小型化提出了更高的要求。迄今为止，其研究重点在于将形状适型材料结合到可以佩戴在人体上的机械设计中。近日，来自A*STAR的Yun Zong和Zhaolin Liu以及新加坡南洋理工大学的张华 (共同通讯作者)等人重点介绍了已知耐磨电化学储能器件的量化性能，以及它们在特定机械变形下的微尺寸性能，这些可用作该领域未来研究的基准。此外，作者还讨论了可穿戴技术活性材料的单元设计方法和器件制造，并讨论了可穿戴应用的电化学储能装置所面临的挑战和前景。

文献链接：Electrochemical energy storage devices for wearable technology: a rationale for materials selection and cell design (Chem. Soc. Rev. , 2018，DOI：10.1039/C8CS00237A）

9、Chemical Reviews综述：二维金属纳米材料的研究进展

图9 样品SEM照片

作为一个独特的二维（2D）纳米材料组，二维金属纳米材料由于其独有的物理化学性质和广泛的应用场景而引起越来越多的关注。近日，来自南洋理工大学的张华教授 (通讯作者)等人介绍了应用于二维金属纳米材料的一般合成方法，然后详细描述了两种类型的各种合成方法，即自底向上法和自顶向下法。此外，作者还详细讨论了二维金属纳米材料在催化，表面增强拉曼散射，传感，生物成像，太阳能电池和光热治疗中的潜在应用。最后，提出了这个研究领域所面临的挑战和机遇。

文献链接：Two-Dimensional Metal Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications (Chem. Rev. ,2018，DOI：10.1021/acs.chemrev.7b00727）

10、Accounts of Chemical Research综述：用于催化水分解的先进纳米材料

图10 纳米框和支化纳米线阵列的受控转化合成示意图

近日，来自天津大学的张兵(通讯作者)等人回顾了固体无机-有机杂化材料作为前驱体并通过协同转换策略转化为无机功能纳米材料的最新进展。文中作者讨论的协同转换策略分为有机组分去除和不同方法以重建无机组分，包括离子交换，界面反应，氧化还原反应和自组装。此外，作者还总结了转换产物在光电（电）/电催化水分解中的应用。固体无机-有机杂化材料的先进协同转换策略将为纳米材料的制备开创一条引人入胜的新途径。

文献链接：Synergetic Transformation of Solid Inorganic–Organic Hybrids into Advanced Nanomaterials for Catalytic Water Splittings(Acc. Chem. Res., 2018，DOI：10.1021/acs.accounts.8b00193）

本文由材料人编辑部纳米学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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