材料前沿最新綜述精選(2017年10月第1周)
1. Advanced Materials綜述：高能量密度Metal–Oxygen電池: 鋰氧電池 vs鈉氧電池
圖1. 固體催化劑的研究工作機理，促進固體催化劑的氧化。
發展高功率，高能源密度，安全的下一代能源存儲設備對大型能源儲存系統(ESSs)的成功至關重要。可充電的鈉-氧(Na–O2)電池為低成本、高能量密度和相對高效的電化學系統提供了一個新的、有希望的機會。雖然Na–O2蓄電池的具體能量密度比鋰氧(Li–O2)電池低，但在不久的將來，鈉資源的豐富和低成本為其實際應用提供了重要的優勢。然而，目前還沒有關于電池化學的報告，來解釋速率限制參數和相應的低往返效率和循環退化。因此，對鋰氧和鈉氧電池的反應機制的了解是必需的。從熱力學和結構的角度，深入了解鋰電池的不同和相似之處，將對促進先進的金屬氧電池的發展有重要意義。東國大學的Yong-Mook Kang（通訊作者）對高能量密度的鋰氧和鈉氧電池的最先進的電池設計原則進行了深入的探討，綜述了主要缺點、反應機制以及近期的改進措施。
文章鏈接：High-Energy-Density Metal–Oxygen Batteries: Lithium–Oxygen Batteries vs Sodium–Oxygen Batteries (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606572)
2. Advanced Energy Materials綜述：混合金屬硫化物用于電化學能量儲存和轉化
圖2. NiCo2S4納米管陣列電化學性能圖
混合金屬硫化物(MMSs)作為電化學能量儲存和轉換系統的極好的電極材料，包括鋰離子電池(鋰離子電池)、鈉離子電池(SIBs)、混合超級電容器(HSCs)、金屬空氣電池(MABs)和水裂解，吸引了人們越來越多的關注。與單金屬硫化物相比，MMSs的電化學性能得到了極大的提高，這主要是由于其較高的導電性能和較豐富的氧化還原反應。浙江大學的遇鑫遙教授和南洋理工大學的樓雄文教授（共同通訊）總結了各種基于MMSs的合成和微/納米結構的合理設計的研究進展，微納結構研究包括控制形貌、大小和LIBs、SIBs、HSCs、MABs的成分以及水裂解。具體地說，納米結構，納米復合材料和碳納米材料的復合合成，以及基于三維MMS基電極的合成，這是提高基于MMS電極材料的電化學性能的三種有效方法。
文章鏈接：Mixed Metal Sulfides for Electrochemical Energy Storage and Conversion (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701592)
3. Advanced Energy Materials綜述：g-C3N4-基異質結構光催化劑
圖3. 電荷傳輸機制
光催化被認為是利用太陽能解決能源和環境危機的一條很有希望的途徑。 g-C3N4因其可見的光活性、低成本材料、化學穩定性和獨特的分層結構而引起了全世界的關注。然而，純的g-C3N4光催化劑仍然存在著光生成電荷載體的低分離效率，這導致了光催化活性不理想的問題。近年來，基于g-C3N4的異質結構已成為研究熱點，使其具有更強的電荷載體分離效率和光催化性能。根據在g-C3N4和偶聯組件之間不同光生電荷載流子不同的傳輸機制，g-C3N4基異質結構光催化劑可分為以下幾種：g-C3N4-基傳統類型 II 異質結, g-C3N4-基Z-型異質結，g-C3N4-基p–n異質結, g-C3N4/金屬異質結，以及g-C3N4/碳異質結。 來自武漢理工大學的余家國教授和姜傳佳教授（共同通訊）綜述了近年來基于g-C3N4的異質結構光催化劑的設計及其特殊分離/轉移機制的研究進展以及g-C3N4在環境和能源領域的應用。同時，對水的分解、二氧化碳的減少、污染物的降解等方面進行了說明。
文章鏈接：g-C3N4-Based Heterostructured Photocatalysts (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701503)
4. Progress in Polymer Science綜述：通過o型雜環的環開反應:從策略設計到核酸輸送應用，多用途的多羥基聚陽離子系統。
圖4. 不同胺類的制備過程——功能化的PGMA載體
安全有效的載體在核酸傳遞過程中起著重要的作用。開環反應通常用于生產具有各種功能和特性的生物材料。與聚乙二醇等表面共軛親水性聚合物不同，在一個聚陽離子中均勻分布的羥基組可以改善生物相容性，并有利于核酸的傳遞。具有均勻分布的羥基組很容易產生o形雜環單元的環開。雜環類化合物包括環酯(環氧化合物)、碳酸鹽和乳酸。含羥基的多陽離子系統主要是由聚氨基乙酯(PGMA)制備的。PGMA是最常見的環氧聚合物，可通過不同胺類的環氧環開反應迅速進行改性。在不同的環氧樹脂和胺基之間的環開聚合反應中也有羥基-富聚陽離子系統。另外，通過不同的o-雜環開環反應后的聚陽離子的羥化反應，可能會產生各種各樣的羥基-富聚陽離子系統。近年來，研究人員研究了一類具有特殊分子和拓撲結構的羥基-富多陽離子系統，如線性、星形、梳形、超分子、支鏈、分層、異型納米結構等。來自北京化工大學的徐福建教授（通訊作者）綜述了近年來對羥基多陽離子系統的研究進展。詳細介紹了它們的不同設計策略，包括o-雜環開環反應和獨特的核酸傳遞應用。研究表明，羥基-富多陽離子系統已成為核酸高級多功能遞送系統的多功能和強有力的候選。
文章鏈接：Versatile types of hydroxyl-rich polycationic systems via O-heterocyclic ring-opening reactions: from strategic design to nucleic acid delivery applications (Prog. Polym. Sci., 2017, DOI: doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2017.09.003)
5. ACS Nano綜述：生物納米科學與腫瘤納米藥物之間的橋梁
圖5. 生物納米科學與癌癥醫學關系
生物納米科學與癌癥醫學的接口是一個有很大進步的領域，但也受到了爭議。該領域的核心概念——電子順磁共振效應(EPR), 以及腫瘤靶向和積累，甚至癌癥醫學中"納米"的目的也備受熱議。與此同時，鄰近領域的重大進展正在迅速發生，包括最近“免疫腫瘤”的進展，以及它自身的關于人們的理解和對被統稱為癌癥的一組疾病的臨床治療的根本影響。最近，來自墨爾本大學的Mattias Bj?rnmalm和Frank Caruso（共同通訊）回顧了(i)癌癥在臨床上是如何治療的以及它與納米醫學的關系；(ii) 檢查了關于EPR效應和腫瘤靶向相關性的爭論; (iii) 強調改善下一代納米醫學的方法; (iv) 討論與(而不是反對)生物學合作的新興概念。
文章鏈接：Bridging Bio–Nano Science and Cancer Nanomedicine (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04855)
6. Advanced Materials綜述：非水溶液鋰離子和鈉離子電容器
圖6. 電容器模型示意圖
混合金屬離子電容器(MICs)(M代表Li或Na)要求能提供高的能量密度，快速的能量傳遞和長的壽命。該裝置由電池陽極和超級電容器陰極組成，因此成為電池和超級電容器之間的一種折衷。在過去的二十年里，人們一直在尋找合適的電極材料來克服電池型陽極和電容式陰極之間的動力不平衡問題。最近，一些過渡金屬化合物被發現在非水的電解質中顯示了贗電容特性，這使得它們在混合MIC陽極中成為混合動力的高速率候選者。來自南洋理工大學的顏清宇教授和范紅金教授（共同通訊）總結了鋰離子和鈉離子電容器的材料設計策略，以贗電容氧化物陽極(Nb2O5、MoO3等)為重點，這為獲得更高的功率密度的混合設備提供了一個新的機會。
文章鏈接：Nonaqueous Hybrid Lithium-Ion and Sodium-Ion Capacitors (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702093)
7. Advanced Materials綜述：二維材料包附金屬的催化劑：概念，應用和展望
圖7. 通過石墨烯層進行電子滲透的示意圖
為了降低成本，提高工業催化劑的效率，努力尋找低成本、高儲量、高效的替代貴金屬催化劑的化學品是一項偉大的事業。然而，金屬催化劑的一個主要問題，特別是非貴金屬催化劑，是其在實際催化過程中的穩定性差。近年來，一種新型、有前景的二維材料包附非貴金屬的催化劑展現出了極佳的優勢，特別是在惡劣條件下(如:強烈的酸性或堿性，高溫，高過電位)。這一概念源于獨特的電子滲透，從包附金屬的二維晶體層到二維晶體的最外層的催化反應，并在惡劣條件下廣泛應用于各種反應。近日，來自廈門大學的鄧德會教授和大連化物所的包信和院士（共同通訊）介紹了最近關于這種催化劑的進展，特別針對這種異質結構催化劑的相關電子特性的結構設計和控制，以及它們在燃料電池、水裂解、二氧化碳轉換、太陽能電池、金屬空氣電池和多相催化等方面的廣泛應用進行了說明。此外，作者也討論了在基礎研究和工業應用中面臨的當前挑戰，以及這些極好的催化材料的未來機遇。
文章鏈接：Robust Catalysis on 2D Materials Encapsulating Metals: Concept, Application, and Perspective (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606967)
8. Angewandte Chemie International Edition綜述：現代無機氣凝膠
圖8. 膠體納米顆粒和氣凝膠世界的融合
從本質上說，氣凝膠這個術語描述了物質的特殊幾何結構。它既不局限于任何材料，也不局限于任何合成過程。因此，可能的各種各樣的材料以及它們的大量應用幾乎是無界的。事實上，同樣的情況也適用于納米粒子。這些也是由它們的幾何性質決定的。在過去的幾十年里，納米材料被大量研究，幾乎所有的自然科學領域都有涉及。到目前為止，各種金屬、半導體、氧化物和其他納米粒子都可以從膠體合成中獲得。然而，對于這些材料的許多應用來說，需要一個宏觀結構的組裝。來自德累斯頓工業大學的Alexander Eychmüller（通訊作者）展示了一幅關于膠體納米顆粒和氣凝膠世界相融合的綜合圖片。通過控制預先形成的納米粒子的不穩定性而變得可能，這使得它們可以組裝成為三維的宏觀網絡。這種革命性的方法使得人們可以使用精確調控的納米粒子作為可設計特性的宏觀多孔結構的基石。
文章鏈接：Modern Inorganic Aerogels (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201611552)
9. Nature Reviews Materials綜述：關于多元金屬納米材料的應變可控電催化劑
圖9. ORR理論發展
電催化對清潔和可再生能源技術的發展至關重要，這可能減少我們對化石燃料的依賴。多元金屬納米材料因為其獨特的物理化學性質而可以作為最先進的電催化劑。一種增強多元金屬納米材料電催化性能的方法是對納米材料的表面應變進行調節或控制，人們在過去十年中取得了巨大的進展。在這篇綜述中，來自北京大學的郭少軍教授（通訊作者）對多元金屬納米晶體中的應變、調優和量化，以實現更高效的電催化轉化進行了總結。首先，文章介紹了應變的概念及其與其他主要物理化學性質的關系。然后，利用電催化還原作為一種模型反應，討論了基于組合經典理論和模型的應變-吸附-反應關系背后的機理。作者描述了如何利用這些知識來設計具有最優應變能力的多元金屬納米晶體，以提高氧還原的效率。文章還特別強調了多元金屬納米晶體在改善電催化作用下的拉伸應變(先前被忽視)的作用。
文獻鏈接：Strain-controlled electrocatalysis on multimetallic nanomaterials (Nat. Rev. Mater., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.59)
10. Advanced Materials綜述：軟機器人應用的彈性充氣式執行器
圖10. 彈性的充氣致動器
20世紀的機器人系統是由硬材料制成的，許多發展都追求更加精確和動態的機器人，機器人在工業自動化領域蓬勃發展，而且在未來的幾十年里可能仍會繼續這樣高速發展。然而，21世紀的機器人很可能會成為軟機器人。這一新興領域的特點在于連續的軟結構，同時實現了機器人連接和執行機構的角色，并且主要關注的是機器人硬件的設計和制造，而不是軟件控制。這些機器人預計將在經典機器人難以完成的精細任務中扮演重要角色，比如微創手術、主動假肢和涉及精密不規則物體的自動化任務。這些機器人的發展核心是制造柔性致動器。近日，來自魯汶大學的Michael De Volder（通訊作者）回顧了一種特別有吸引力的軟致動器，它是由加壓流體驅動的。由于更好的模擬工具和新制造技術的推動，這些致動器最近獲得了動力，而另一方面，市場從應用中獲得了拉動。本文概述了不同的高級軟驅動器配置、設計、制造和應用。
文章鏈接：Elastic Inflatable Actuators for Soft Robotic Applications (Adv. Mater., 2017, 10.1002/adma.201604977)
11. ACS Nano綜述：實驗室皮膚:對可穿戴健康監測的彈性和可伸縮電子產品的回顧
圖11. 電子皮膚的應用
皮膚是人類最大的器官，并且它提供了一個富含來自內部器官、血管、肌肉和真皮/表皮的重要生物信號的診斷接口。柔性和伸縮電子器件提供了一個與軟組織交互的新平臺并可用于機器人的反饋和控制, 再生醫學和可持續的健康監測。近期，來自厄巴納伊利諾斯州大學的Yuhao Liu，德州農工大學的Matt Pharr以及瑞士電子實驗室的Giovanni Antonio Salvatore（共同通訊）聯名介紹了“實驗室皮膚”，它描述了一套具備物理特性，比如厚度，熱質量，彈性系數以及水蒸氣透過性的電子器件，與人類的皮膚類似。這些器件能夠在表皮上形成壓板來減輕因傳統的剛性電子造成的運動偽影和機械性能的不匹配性，同時提供了準確的，非侵入性的，長期的，持續的健康監測。近期，設計和制備具有先進性能軟傳感器的過程和提高的可靠性表明將這些器件從研究性實驗室轉移到臨床環境的時刻即將到來。關于這些優勢，文章第一部分回顧了材料，設計策略，以及在軟電子設備中使用的系統。之后，文章提供了這些設備在心臟病學，皮膚病學，電生理學以及汗水診斷中的應用概況，并重點強調了這些系統是如何代替傳統臨床工具的。同時也對可穿戴健康監測領域未來研究方向的挑戰和機遇進行了總結。
文章鏈接：Lab-on-Skin: A Review of Flexible and Stretchable Electronics for Wearable Health Monitoring (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04898)
12. ACS Nano綜述：安全創新的考量：以石墨烯為例
圖12. 納米材料安全性問題示意圖
“安全創新”和“安全設計”當前在納米技術領域非常流行。這些術語描述了在早期（納米）材料和納米化產品創新過程階段就已經提倡的安全性的考量方法。近期，來自荷蘭的Margriet V.D.Z. Park（通訊作者）等人調查了在石墨烯創新過程的各階段中考慮安全性問題的可能性，列出哪些信息已經可用來評估潛在的風險。此外，作者建議各利益方應采取進一步措施，促進石墨烯的安全生產和安全使用。
文獻鏈接：Considerations for Safe Innovation: The Case of Graphene (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04120)
13. Chemical Society Reviews綜述：光驅動微納發動機：從基礎到應用
圖13. 光驅動MNMs的結構配置
光作為一種外部刺激，能夠驅動微納發動機(MNMs)，同時具備可逆性，具有良好的空間和時間分辨率的無線和遠程操作等優點。近日，來自武漢理工大學的官建國教授（通訊作者）等人綜述了最先進的光驅動MNMs，它能夠通過轉化光能為機械能在液體中或者襯底表面移動。通常的設計策略是在光驅動MNMs周圍構建不對稱場來推進它們，這種策略也被應用在了光驅動的MNMs光敏材料中，包括光催化劑材料，光熱材料以及光致變色材料。之后文章介紹了發展到目前的光驅動MNMs的推進機理以及運動行為，涉及了光誘發原子間導電的推動，泡沫反沖，以及界面張力梯度，隨后介紹了最近基于光致形變的液晶彈性體的光驅動運動的進展。在概述了光驅動MNMs在生物醫學、環境和微納工程領域的潛在應用之后，文中也展望了光驅動MNMs的未來發展前景。
文獻鏈接：Light-driven micro/nanomotors: from fundamentals to applications (Chem.Soc.Rev., 2017, DOI: 10.1039/C7CS00516D)
14. Chemical Society Reviews綜述：在高表面積金屬氧化物上的多分子組合以及它們在界面能量和電子轉移中的作用
圖14. 組裝示意圖
高表面積金屬氧化物為界面中多個分子組件的裝配提供了一個獨特的基板。分子，金屬氧化物，以及組裝方法本質的選擇能夠對機理，速率和光誘發在界面上能量和電子傳輸的效率產生重大的影響。由于它們的多樣性以及高水平的控制，這些界面的組裝對于眾多應用包括太陽能轉化，光電合成，光——讀寫記憶等是十分有趣的。雖然這些組裝因為不同的目標而被開發，但是它們都依賴于相似的表面鍵和分子結構——特性關系。近日，來自佛羅里達大學的Kenneth Hanson（通訊作者）等人總結了許多策略（例如，共沉積，軸向配位，金屬離子的聯系，靜電，主體——受體交互作用等）用于發色團組裝，主體，電子給體/受體，以及在介孔金屬氧化物襯底上絕緣的共吸附分子。在眾多組裝策略中，作者也詳細討論了組裝，合成，以及表征，還有之后的光誘發現象（比如，截面能量/電子傳輸，內部發色團能量傳遞，電子注入等）。
文獻鏈接：Multimolecular assemblies on high surface area metal oxides and their role in interfacial energy and electron transfer (Chem.Soc.Rev., 2017, DOI: 10.1039/C7CS00565B)
15. Chemical Society Reviews綜述：基于應用在化學和生物傳感器的二維納米場效應晶體管
圖15. 二維納米場效應晶體管示意圖
研究人員為滿足對高靈敏，高選擇性，快速檢測的傳感器需求量的日益增長，需要克服許多挑戰。過去的十年里，基于場效應晶體管(FET)的電子傳感器因其高靈敏，快速檢測以及簡單的測試程序已經被廣泛的研究。在這些傳感器中，基于FET傳感器的二維納米材料因為獨特的結構和電子特性已經被證實在寬范圍的檢測物檢測中具有巨大的潛力。近日，來自威斯康辛大學密爾沃基分校的陳俊宏教授和南洋理工大學的張華教授（共同通訊）討論了近年來在石墨烯、二維過渡金屬二硫化物和二維黑磷場效應傳感器上的研究進展，重點介紹了氣體、生物分子和水污染物的快速和低濃度檢測。
文獻鏈接：Two-dimensional nanomaterial-based field-effect transistors for chemical and biological sensing ?(Chem.Soc.Rev., 2017, DOI: 10.1039/C6CS00827E)
16. Chemical Reviews綜述:生物光學和仿生光學材料
圖16. 在光學材料中生物模擬的過程
通過采用有限的材料,最優設計的微納結構，嚴格的監管流程，大自然展示了在不同尺度下的光物質相互作用的精細控制。事實上，光物質相互作用的精細控制在軍備競賽中是一個重要因素并且因此而產生了過度工程化的光學材料和系統。近日，來自華盛頓大學的Srikanth Singamaneni和美國空軍研究實驗室的Rajesh R. Naik（共同通訊）對自然界中發現的各種光學效應作了詳細的總結，特別強調了光學功能材料和光學設計。文章采用一些典型實例，探討了各種光學現象，包括吸收率和透過率，折射，干涉，反射和防反射，散射，光產量,波導和透鏡，偽裝，以及生物發光，這些都是在自然和生物學中發現的獨特的材料光學特性和結構特性。研究人員在理解大自然的設計原則方面取得了巨大的進步，同樣在實現生物模擬和生物啟發的光學材料和光子設備方面取得了巨大的進展。文中也討論了各種微納制備技術來實現先進仿生光學結構。
文獻鏈接：Bio-Optics and Bio-Inspired Optical Materials (Chem.Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00153)
17. Science綜述：先進熱電材料研究：回顧和展望
圖17. 熱電材料研究是一種由應用驅動的多學科研究領域，涉及到材料的電荷、自旋、軌道和晶格度
高性能熱電材料位于熱電材料的核心，這是一種最簡單的技術，可用于直接從熱到電的能量轉換。在最近的60年歷史中，熱電材料研究領域已經停滯了好幾次，但每次都被新的范例所激勵。來自克萊姆森大學的Jian He和Terry M. Tritt（共同通訊）回顧了幾個可能出現的由缺陷、大小影響、臨界現象、非協調性和自由的自旋度所導致的潛在的變化機制。這些機制將原本相互依賴的物理量與更高的物質性能分離。作者還簡要地討論了一些有前景的材料，先進的材料合成和準備技術，以及新的機會。如果當前的熱電材料研究趨勢持續到可預見的未來，可再生能源領域將會被重塑。
文獻鏈接：Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward (Science, 2017, DOI:10.1126/science.aak9997)
本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。
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