材料前沿最新综述精选(2017年9月第1周)
1、Advanced Energy Materials综述：用于电化学储能装置的三维碳纳米纤维结构
图1 CNF水凝胶和气凝胶的宏量制备
高性能电化学储能装置的发展对于解决能源危机和环境污染至关重要。因此，下一代电极材料的设计和制备越来越受到重视。最近的进展已经证明，三维（3D）碳纳米材料由于其独特的互连结构而成为电化学储能装置电极有竞争力的候选者。近日，中国科学技术大学俞书宏教授（通讯作者）等人总结了基于3D碳纳米纤维（CNF）材料的可扩展制造及其电化学能量存储装置应用的最新进展。介绍了关于包括超级电容器，锂离子电池（LIBs），钠离子电池（SIBs）在内的各种应用，突出了一些代表性的3D CNF架构，例如CNF凝胶，3D CNF膜，3D CNF阵列及其纳米复合材料，锂-硫（Li-S），锂-硒（Li-Se）和金属-O2电池，以及其他新的电池系统。最后，概述了3D CNF架构的可扩展制造中面临的挑战，并给出了对未来研究的展望。
文献链接：Macroscopic-Scale Three-Dimensional Carbon Nanofiber Architectures for Electrochemical Energy Storage Devices（Adv.Energy Mater.,2017,DOI: 10.1002/aenm.201700826）
2、Advanced Energy Materials综述：金属卤化物钙钛矿太阳能电池材料理论研究的进展
图2 GGA计算总和及局部密度
卤化铅钙钛矿最近已经成为用于制造低成本和高效率薄膜太阳能电池的有希望的吸收剂。卤化铅钙钛矿型太阳能电池的记录功率转换效率从2009年的3.8％已经飞速上升至2016年初的22.1％。这归功于卤化铅钙钛矿优越独特的光伏特性，如在任何其他多晶薄膜太阳能电池材料中看不到的极高光吸收系数和超长的光生载流子寿命和扩散长度。近日，美国托莱多大学鄢炎发教授、Zewen Xiao（共同通讯）等人的综述文章论述了已有文献报道的铅卤化钙钙钛矿材料的独特结构，电子，光学和缺陷性能的重要理论成果。为了比较，文章还回顾了文献中报道的一些无铅钙钛矿，双钙钛矿和非钙钛矿的理论结果。
文献链接：Progress in Theoretical Study of Metal Halide Perovskite Solar Cell Materials（Adv.Energy Mater.,2017,DOI:10.1002/aenm.201701136）
3、Advanced Materials综述:光伏和能量存储系统的先进光子过程
图3 光热和光化学机理示意图
通过光伏（PV）转换获取太阳能是可再生能源生产中最有前途的技术。同时，能源储存（ES）系统的发展取得了重大进展，这些系统是能源生产，传输和使用周期中的重要组成部分。在商业应用方面，提高PV和ES系统的性能和竞争力需要采用与大规模和高通量生产线相兼容的精确但简单且成本低廉的制造解决方案。光子过程通过光热，光化学或光物理途径实现了低成本高效益，高精度和可选择性。特别地，基于激光的工艺可以获取许多处理参数，这些处理参数可以以非常高的精度进行调整，从而实现传统方法无法实现的处理路线。近日，克里特大学Emmanuel Stratakis（通讯作者）等人强调了先进的光驱方法，用于与PV和ES系统相关的材料和组件的制造以及合成。除了最近取得的成就外，还介绍了现有的局限性，并展望未来的可能性和新兴前景。
文献链接：Advanced Photonic Processes for Photovoltaic and Energy Storage Systems（Adv.Mater.,2017,DOI：DOI: 10.1002/adma.201700335）
4、Nature Communications综述：原位透射电镜透析可充电离子电池材料及挑战
图4 通过原位TEM研究电池材料和各种电池的挑战
在复杂的电化学环境下对材料行为的深入了解对于下一代可充电离子电池先进材料的开发至关重要。在各种原位表征技术到来之前，工作电池中的动态条件尚未被深入探索。电化学反应中原位透射电子显微镜是准确了解关于材料在电化学环境中行为最重要的突破之一。近日，阿贡国家实验室Jun Lu和伊利诺伊大学芝加哥分校 Reza Shahbazian-Yassar（共同通讯）总结了通过原位透射电子显微镜实现的科学发现，并特别强调了该技术适用于解决可再充电离子电池电极，电解质及其界面中的关键挑战。在包括锂-氧，锂-硫和钠离子电池在内的新型电化学系统领域中原位透射电子显微镜的应用正在迅速增加。此外，基于锂离子电化学和钠离子电化学的系统比较也在其热力学和动力学差异方面给出。本文为可再充电离子电池中的原位透射电子显微镜的未来方向提供了新的视角。
文献链接：Understanding materials challenges for rechargeable ion batteries with in situ transmission electron microscopy（Nat.Commun.,2017,DOI：10.1038/ncomms15806）
5、Chemical Reviews综述：生物界面结构对生物基纳米材料的性质和应用的影响
图5 M13丝状噬菌体衣壳的结构
肽序列可以识别和结合不同的纳米材料表面，从而筛选和鉴定能与多种金属，金属氧化物，矿物和聚合物底物结合的数百种肽。这些生物分子能够以相对高的亲和力结合材料，导致在生物和非生物成分之间产生复杂的生物界面。尽管材料结合序列的数量很大，但是目前的研究仅针对相对少量的序列。此外，在材料吸附状态下确定这些肽的分子水平结构目前是非常具有挑战性的。近日，迪肯大学Tiffany R. Walsh和迈阿密大学Marc R. Knecht（共同通讯）等人提供了肽序列应用的全面概述，并说明了通过阐明生物界面结构/性质关系，可以更广泛地扩展这种肽介导的纳米材料生长，组织和活化方法的多功能性。并阐述了实现这些目标的未来方向和面临的巨大挑战。
文献链接：Biointerface Structural Effects on the Properties and Applications of Bioinspired Peptide-Based Nanomaterials（Chem. Rev.,2017,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00139）
6、Chemical Society Reviews综述：用于基于介孔二氧化硅纳米颗粒药物递送系统的“守门员”
图6 “阻止”和“开放”状态的示意图
常规的癌症化疗通常与毒性问题有关。因为新的药物递送系统（DDS）选择性地靶向受影响的细胞，同时保护正常组织，因此，其被开发为替代品。其中，基于无创和生物相容性介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）的DDS发展迅速。特别是在限制MSN毛孔入口的受控网可以实现特定药物释放和在输送过程中避免过早泄漏时起着突出和至关重要的作用，而完美的“守门员”只能在特定的内部或外部刺激下被去除，例如pH，氧化还原电势，温度，生物分子，光，磁场和超声，或这些刺激的组合，其对于精确的治疗处理和在人体中的潜在应用是重要的。近日，西北农林科技大学孙世国、大连理工大学刘凤玉（共同通讯）等人重点突出论述了各种可控MSN“守门员”的设计和实现“零早泄漏”药物递送的最新进展。不同的“守门员”根据其类型和特点分为以下几种：（1）聚合物; （2）无机纳米材料; （3）主客体聚合和（4）生物大分子。本文将为对纳米材料制造，靶向药物递送和刺激反应性药物释放等有兴趣的研究人员提供广泛的机会。
文献链接：Diverse gatekeepers for mesoporous silica nanoparticle based drug delivery systems（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C7CS00219J）
7、Chemical Society Reviews综述：染料敏化太阳能电池中的对电极
图7 可持续发展方案
染料敏化太阳能电池（DSSCs）被视为下一代光伏技术的前瞻性太阳能电池，并已成为光伏领域的研究热点。对电极作为DSSCs的关键部件，从外部电路收集电子，并催化电解质中的氧化还原反应，对光伏性能，器件的长期稳定性和成本具有重要的影响。近日，华侨大学吴季怀（通讯作者）等人介绍了太阳能电池，染料敏化太阳能电池，以及对电极的结构，原理，制备和表征。讨论了基于透明度和柔性的对电极，金属和合金，碳材料，导电聚合物，过渡金属化合物和杂化物。并介绍了各种对电极的特点和性能，优缺点，制备，表征，机理以及发展历史。
文献链接：Counter electrodes in dye-sensitized solar cells（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C6CS00752J）
8、Accounts of Chemical Research综述：硼酸盐亲和材料的合成和应用：从类别选择性到生物模拟特异性
图8 硼酸和含顺式二醇化合物之间的相互作用
由于生物系统和样品的复杂性，某些生物分子的特异性捕获和靶向在许多生物研究和应用中至关重要。含有顺式二醇的生物分子，包括糖蛋白，糖类，核苷，核苷酸等重要化合物的大家族在生物系统中起到了重要作用。由于硼酸可以与顺式二醇可逆地结合，因此，近年来硼酸盐亲和性材料（BAMs）越来越受到关注。然而，BAMs的现实应用往往受到三个瓶颈问题的严重阻碍，包括非相容性结合pH，弱亲和力和在选择性上的操纵难度。因此，解决这些问题和了解影响结合特性的因素具有重要意义。近日，南京大学刘震（通讯作者）等人总结了BAM的关键因素，以及印记和非印记BAMs之间的联系。希望为BAMs的配体和支持材料的性质和结构提供基本理论，这可以促进BAM的开发和应用。此外，文章还简要介绍了未来发展的挑战和方向。
文献链接：Synthesis and Applications of Boronate Affinity Materials: From Class Selectivity to Biomimetic Specificity（Acc. Chem. Res.,2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00179）
9、Accounts of Chemical Research综述：利用大分子和纳米化生物反应性MRI探针成功实现功能成像
图9 在SCAs设计中使用的主要机制
分子成像，特别是磁共振成像（MRI）中对生物响应或智能造影剂（SCAs）的需求正在逐渐增加，因为它们允许以动态方式监测分子和细胞水平上的基本生物学过程。目前已经开发了各种机械方法和不同类型的SCAs，以便使用各种成像策略和方法来达到预期的可视化。迄今为止，最常用的探针是分别改变质子频率的纵向或横向松弛的顺磁性分子，或所谓的T1和T2探针。近日，马克斯普朗克生物控制论研究所Goran Angelovski（通讯作者）等人总结了该领域的最新进展，特别是专注于适合实际和体内利用的探针。此外，文章还讨论了旨在开发适用于实际MRI应用的大分子纳米SCAs的方法。这个激动人心领域的进一步发展得到了肯定，预期在不久的将来，探针制备及其在功能分子成像中的应用会取得显著的成果。
文献链接:Heading toward Macromolecular and Nanosized Bioresponsive MRI Probes for Successful Functional Imaging（Acc. Chem. Res.,2017,DOI：10.1021/acs.accounts.7b00203）
本文由材料人编辑部生物材料组Allen供稿，材料牛整理编辑。
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