材料前沿最新綜述精選(2017年9月第4周)

1. Advanced Materials綜述：有機無機鹵化物鈣鈦礦光電探測器

圖1 在使用富勒烯中間層的鈣鈦礦裝置界面處的陷阱鈍化示意圖

過去八年（2009-2017年）中光伏和發光二極管研究領域對有機-無機鹵化物鈣鈦礦的興趣爆增。最近的進展已經證明，這種類型的鈣鈦礦在光信號檢測技術中具有巨大的潛力，其具有與市售的晶體Si和III-V光電檢測器不相上下的性能。近日，田納西大學的胡斌教授（通訊作者）等人詳細介紹了現代多功能鈣鈦礦的固有光電性能，包括光電極化、高漂移遷移率和有效電荷收集，使其在信號檢測領域的迅速發展。具有優異光活性的鈣鈦礦半導體可以檢測從紫外線、可見光到近紅外區域的寬范圍電磁波，并具有低成本的溶液加工性和良好的光子產率。這類半導體可能會在成像、光通信和生物醫學傳感領域提供突破性光電探測器技術。此外，文章重點關注了鈣鈦礦光電探測器下一階段發展的材料合成、設計的批判性理解，闡釋了現有技術的挑戰，為今后進一步研究提供了思路。

文章鏈接：A Review on Organic–Inorganic Halide Perovskite Photodetectors: Device Engineering and Fundamental Physics(Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201605242)

2. Advanced Energy Materials綜述：用于軟能設備的可變形透明離子的電子導體

圖2 幾種基于可拉伸、透明離子/電子導體的軟能儲存和轉換裝置

近來可變形或可拉伸電子設備蓬勃發展，靈活的透明顯示屏以及它們與人體的融合需求促進了其在滿足能量或功率要求的同時，還需要可拉伸、透明、可穿戴或生物兼容的多功能裝置的發展。軟能源系統的開發始于相關導體的制備和創新器件配置的設計。在這項研究中，隨著軟儲能和轉換系統的發展，可拉伸、透明的電子和離子導體的最新進展和趨勢被人們所重視。近日，南洋理工大學的Pooi See Lee（通訊作者）等人闡述了可伸縮的透明離子導體作為軟能裝置中集流器和電解質的可能性，為有效的人機交互提供了新見解。此外，文中還詳細討論了展示基于可拉伸透明離子/電子導體的軟能裝置的代表性實例。并考慮了開發具有定制特征的新型可拉伸透明導體和器件配置的挑戰和前景。

文章鏈接：Deformable and Transparent Ionic and Electronic Conductors for Soft Energy Devices (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701369)

?3.?Advanced Energy Materials綜述：影響TiO₂電極中電荷運輸的內在結構

圖3 1維TiO₂納米結構的形成和化學切割的示意圖

由于其獨特的光學性能、化學和熱穩定性以及無毒性，TiO₂是光電化學應用中電極應用最廣泛的半導體材料。電子過程，特別是電極內的電荷傳輸和界面電荷轉移，是進一步利用太陽能的問題之一。為此，許多方法，包括開發新型電極配置和調諧電子結構已被用于促進這些電子過程。盡管人們進行了深入研究，但TiO₂納米結構中的一些內在結構特征并未被特別關注。近日，中科院山西煤炭化學研究所的陳加藏和南洋理工大學的Bin Liu（共同通訊作者）等人簡要總結了光電化學應用的TiO₂納米結構的最新進展，重點強調了TiO₂納米結構中的本征結構特征，以及涉及這些特征的挑戰和觀點。這些內在的結構特征對TiO₂電極中的電荷傳輸和界面電荷轉移具有深遠影響。

文章鏈接：Unraveling the Intrinsic Structures that Influence the Transport of Charges in TiO₂ Electrodes (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700886)

4. Progress in Polymer Science綜述：兒茶酚官能化的超支化聚合物

圖4?通過自聚合形成多巴胺的機理方案

兒茶酚在生物過程中發揮著重要的作用，促使研究人員將它們納入仿生生物醫學材料的設計中。兒茶酚基（或其衍生物）的低分子量和良好的水溶性使其通常成為接枝到聚合物鏈上良好候選物，進而實現生物材料功能化。為了充分利用兒茶酚的強大功能，人們可以將超出接枝到線性聚合物鏈的方式看作是超支化聚合物，其中至少一個分支包含至少一個鄰苯二酚部分。近年來，人們已經開發了許多方法來合成多功能超支化聚合物，其具有用于生物粘合劑和表面涂層的兒茶酚功能。近日，天津大學的王文新、王瑋（共同通訊作者）等人重點介紹了在（超）支化結構聚合物中引入重要和多功能兒茶酚組件的主要合成方法。此外，突出顯示了這些聚合物在生物醫學領域應用。

文章鏈接：Catechol functionalized hyperbranched polymers as biomedical materials (Prog. Polym. Sci, 2017, DOI: doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2017.09.002)

5. Advanced Energy Materials綜述：混合鈣鈦礦太陽能電池中的中間層

圖5 混合鈣鈦礦太陽能電池中夾層的可能位置

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSC）是最有希望的第三代太陽能電池。它們具有良好的功率轉換效率且能耗更低。為了提高PSC的效率和長期穩定性，有機分子經常用作“夾層”。中間層是改變太陽能電池中特定界面的有機分子薄層或單層。近日，巴斯大學的Petra J. Cameron（通訊作者）等人回顧了使用中間層來優化PSC性能的最新進展。因為在PSC和有機光伏（OPV）中使用的夾層類型有許多相似之處，進而在OPV領域也有一些有趣的樣例。本文分為三個部分。第一部分著重于介紹為什么有機分子夾層能夠提高太陽能電池的性能；第二部分討論常用的分子中間層；在最后一部分，討論了制作薄均勻夾層的不同方法。

文章鏈接：Molecular Interlayers in Hybrid Perovskite Solar Cells (Adv.Energy Mater.

, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701544)

6. Advanced Energy Materials綜述：可充電鈉離子電池高壓陰極材料的進展

圖6 室溫鈉離子電池的工作原理

由于具有競爭力的成本效益和可持續的資源供應，室溫可充電鈉離子電池被認為是最有前途的電網和其他存儲應用的替代技術。為了促進鈉離子技術的發展，鈉離子電池的能量密度需要提高到目前商用鋰離子電池的水平。其有效的方法是提高電池的工作電壓，這需要使用耐高壓穩定的Na⁺ / Na的陰極材料。近日，德克薩斯大學奧斯汀分校的Arumugam Manthiram（通訊作者）等人總結了近來新興的用于室溫鈉離子電池的高壓陰極材料的進展，包括層狀過渡金屬氧化物、富Na材料和聚陰離子化合物。并且討論了這些材料的關鍵問題和相應的策略，重點是內在的結構特性，Na儲存電化學和相對于氧化還原反應的電壓變化趨勢。本文提出的見解可以作為提高室溫鈉離子電池能量密度的指南。

文章鏈接：Progress in High-Voltage Cathode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701785)

7. Advanced Energy Materials綜述：單原子催化劑—異構催化中出現的多功能材料

圖7 納米顆粒、分層2D材料、單原子鏈以及單原子研究進展示意圖

載體金屬納米粒子是催化劑中研究廣泛的非均相催化劑。金屬納米結構的大小是影響催化劑活性的重要參數。特別地，由于配位不飽和金屬原子總是作為催化活性中心，所以降低催化劑的粒度可以大大提高每個金屬原子的比活性。近日，天津大學的葉金花（通訊作者）等人詳細描述了單原子催化劑的發展。固定在載體上的單一金屬原子的單原子催化劑（SAC）代表金屬催化劑的最大利用形態，從而使金屬原子使用效率的最大化。然而，隨著粒徑的減小，SAC表面自由能明顯增加，并且趨于聚集成簇或顆粒。所以選擇合適的載體是必要的，以便與孤立的原子發生強烈的相互作用，從而防止分離的原子的移動和聚集，產生穩定的細分散活性位點。此外，通過均勻的單原子分散和明確的配置，SAC為優化高選擇性和活性提供了巨大的空間。文中介紹了SAC制備、表征和催化測試的詳細討論，包括對SAC材料的關鍵問題的理論部分。并強調了SAC作為催化劑的主要優點以及進一步提高催化劑性能所面臨的挑戰。

文章鏈接：Single-Atom Catalysts: Emerging Multifunctional Materials in Heterogeneous Catalysis (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701785)

8. Advanced Energy Materials綜述：納米發電機驅動的自供電植入式生物醫學裝置

圖8 ?iTENG的工作原理

近年來，植入式醫療器械（IMD）在醫療實踐方面取得了飛速發展。然而，大多數這種設備需要像電池這樣的外部電源來操作，這可能會限制其在體內的應用。此外，IMD的這些外部電池一旦過期需要通過手術而更新，從而對患者造成身體和心理上的煩惱，并增加醫療保健的財務負擔。目前，在體內收獲生物力學能量被認為是確保植入式醫療設備可持續運行的最重要的能源技術之一。近日，麥考瑞大學的Nazmul Huda（通訊作者）等人突出介紹了可植入式摩擦電納米發電機（iTENG）和可植入式壓電納米發電機（iPENG）的近期改進，以推動自供電的無線醫療保健系統的發展。而且對其在心臟監測、起搏器通電、神經細胞刺激、正畸治療和實時生物醫學監測中的潛在應用進行了總結和介紹。最后，文章還解決了在體內環境下顯著影響iTENG和iPENGs輸出性能的一些關鍵問題。

文章鏈接：Recent Advances in Nanogenerator-Driven Self-Powered Implantable Biomedical Devices (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701210)

9. Chemical Reviews綜述：酶生物燃料細胞的O₂還原

圖9? 摘要簡介圖

由于O₂特殊的可用性和高O₂/H₂O氧化還原電位，因此可以允許燃料電池中的高能量反應，從O₂到水的催化四電子還原是最廣泛研究的電化學反應之一。為了避免使用昂貴且低效的Pt催化劑，人們已經設想出多能氧化酶（MCO），因為它們提供了幾乎沒有超電勢的有效的氧還原。研究者們已經使用MCO來制備酶生物燃料電池（EBFC），它可以代替常規催化劑的燃料電池。具有葡萄糖氧化陽極和O₂還原MCO陰極的葡萄糖/O₂ EBFC可以成為未來集成醫療裝置中的體內電力來源。近日，法國國家科學研究院的Nicolas Mano（通訊作者）等人發表綜述，涵蓋了MCO的電化學及其在EBFC中的應用的挑戰和進展。介紹了MCO和EBFCs的第一個基本特征，描述了這些酶在電極連接時的行為。然后討論了在開發基于直接和介導的電子轉移機制的O₂還原的有效生物陰極中的進展，并提出了EBFCs的一些未來發展。

文章鏈接：O₂ Reduction in Enzymatic Biofuel Cells (Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00220)

10. Chemical Society Reviews綜述：控制鈣鈦礦型電極中的陽離子偏析，提高電催化活性和耐久性

圖10? 用于儲能和轉換的固體氧化物電池的結構示意圖

基于固體氧化物電池（SOC）的能量轉換系統由于其高效率、低排放和優異的燃料靈活性，有可能成為電力和化學燃料之間可逆轉換的最干凈有效的系統。然而，這種技術的發展受到缺乏高性能電極材料的阻礙。雖然許多鈣鈦礦基材料作為SOC電極非常有潛質，但在其表面或界面附近的陽離子經常富集或分離，這不僅影響電極動力學，而且還極大地影響其耐久性和操作壽命。由于與表面富集或分離相關的化學和結構變化通常局限于納米尺度，因此需要先進的實驗和計算工具來實時探測這些近表面區域的詳細組成、結構和納米結構。近日，清華大學的于波，華南理工大學的陳燕和佐治亞理工學院的劉美林（共同通訊作者）等人

介紹了近期在這一領域取得的進展，突出了幾種廣泛研究的鈣鈦礦型材料體系中的熱力學驅動力、動力學和表面富集和分離的各種結構。然后強調了表面納米結構與電催化活性和電極穩定性之間的相關性，這對于實現具有優異耐久性的更高效的SOC電極材料的合理設計至關重要。此外，表面處理的方法和機理分析適用于其他材料系統，包括H₂O/CO₂和金屬空氣電池的熱化學光輔助分裂。

文章鏈接：Controlling cation segregation in perovskite-based electrodes for high electro-catalytic activity and durability (Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/C7CS00120G)

11. Nature Reviews Materials綜述：Picoscale材料工程

圖11? 通過塑性結構變形來操縱界面處的材料性質示意圖

原子鍵合形成材料的方式，特別是鍵長度和角度的形狀是所得材料性質的基本決定因素。功能材料通常可以通過改變電子結構的皮米尺度的長度或發生可逆的鍵扭曲來改進其性質。近日，耶魯大學的Sohrab Ismail-Beigi、Charles H. Ahn（共同通訊作者）等人通過列舉幾個例子，討論了如何使用picoscale鍵擾動來實現特定的材料特性。文中研究了鎳酸鹽巖中的軌道工程、鈣鈦礦超晶格中獲得的功能特性，以及界面效應對硒化鐵高超導轉變溫度的影響。強調了過渡金屬二硫屬元素中帶狀拓撲與皮米尺度變形之間的關系以及晶格模式對材料性質的影響。這些例子突出說明了如何組合使用第一原理方法，控制單個原子層組成的材料生長技術以及現有技術來表征或動態激發picoscale鍵扭轉的方法，闡釋了picoscale鍵材料工程的規則和概念。

文章鏈接：Picoscale materials engineering (Nat. Rev. Mater., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.60)

12. Accounts of Chemical Research綜述：2D碳-碳二炔的合成與性質

圖12? GDY結構及應用示意圖

Graphdiyne（GDY）是包含具有高度π共軛的sp²-和sp-雜化碳原子的扁平材料，具有均勻分布的孔。近日，中科院化學研究所的李玉良、劉輝彪（共同通訊作者）等人發表綜述，闡述了相關研究進展。人們目前已經開發了六乙炔基苯在Cu箔上的原位同相反應，用于制造大面積有序的二氧化硅膜。這些膜是均勻的，由石墨炔多層組成，電導率與Si相當，具有優異的半導體性能。通過形態控制的合成，研究人員可以制備具有不同性質的石墨化結構（例如納米管、納米線和納米線）。圖形二維納米管陣列和石墨炔納米壁表現出優異的場致發射性能，并高于其它半導體如石墨和碳納米管。石墨炔獨特的原子排列和電子結構也使它可以用作高效催化劑；而其低還原電位和高度共軛的電子結構使其也可作用于高分散和無表面活性劑的Pd簇無電沉積的還原劑和穩定劑。具有明確的多孔網絡結構的基于GDY的三維（3D）納米結構可用作產H₂的高活性陰極。雜原子摻雜的GDY是氧還原反應（ORR）的無金屬電催化劑，其優異的電催化活性和廉價、便利的特點，可擴展的制備使GDY成為實用高效能源應用的候選者。文章探討了GDY作為高效鋰儲存材料的應用，并且闡明了多層GDY中存在鋰儲存的方法。還探討了GDY在能量轉換中的應用，總結了石墨炔與其納米結構的功能之間的關系。研究結果表明，GDY是一種新穎的2D碳材料，具有許多有吸引力的特性。它可以在一系列組成、尺寸、形狀和功能上設計成新的納米結構和材料，并應用于電子、光學、能量和光電子學領域。

文章鏈接：Synthesis and Properties of 2D Carbon—Graphdiyne (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00205)

13. Accounts of Chemical Research綜述：具有溫度依賴聚集性能的有機光伏供體聚合物

圖13? 聚合物的TDA性質示意圖

?由于其機械靈活性、重量輕、面積大、制造成本低等特點，本體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSC）在過去二十年中引起了人們的高度關注。迄今為止，OSC設備已實現超過12％的電源轉換效率（PCE）。通過開發具有良好形態、電子和光學性質的高性能供體聚合物，可以實現技術發展。 OSC形態控制的一個關鍵問題是實現區域尺度和高聚合物結晶度之間的權衡，這對于實現高填充因子的厚膜器件尤其重要。近日，香港理工大學的顏河（通訊作者）等人介紹了具有強烈的溫度依賴性聚集（TDA）性質的新型共軛聚合物的最新進展。這些聚合物可以在高溫下溶解在溶液中，當溶液冷卻至室溫時可以強烈聚集。這種獨特的聚集性質使研究人員能夠在溶液處理期間控制聚合物的無序順序轉變。研究表明第二位支鏈烷基鏈和聚合物骨架上的氟化是能夠實現強TDA性質的兩個關鍵結構特征。TDA聚合物系列可與低電壓損耗的OSC的非富勒烯受體匹配。富勒烯和非富勒烯OSC的匹配規則之間的關鍵區別在于結晶度略低的TDA聚合物與較小的分子受體可以更好匹配，并實現更高的OSC性能。
文章鏈接：Design of Donor Polymers with Strong Temperature-Dependent Aggregation Property for Efficient Organic Photovoltaics (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00293)

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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