材料前沿最新綜述精選(2017年10月第2周)
本文精選的材料前沿綜述主要內容包括“環境穩定型有機電子器件的研究進展”、“MOF衍生材料的合成與能源應用”、“可充電固態鋰空電池和鋰硫電池”、“納米材料用于水保護和監測”、“結晶多孔材料用于電化學儲能”等等。
1、Adv.?Mater. 綜述：環境穩定型有機電子器件的研究進展
圖1 有機電子器件在環境條件下的降解因素示意圖（左）以及具有環境穩定性的有機半導體的各種應用（右）
柔性電子產品的發展突飛猛進，但是目前有機電子器件的商業化幾率很小，主要是因為操作穩定性、環境中的長期穩定性以及與制造工藝有關的化學穩定性難以保證。目前科學家們已經嘗試多種方法來克服有機電子材料的各種不穩定性。近日韓國浦項科技大學Joon Hak Oh（通訊作者）等人針對環保有機電子器件開發，綜述了在環境中具有穩健功能的有機電子器件的研究進展，通過對性能衰退機理的剖析，重點闡述了如何克服氧氣、水、化學物質、熱、光的不利影響。
文獻鏈接：Toward Environmentally Robust Organic Electronics: Approaches and Applications?(Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201703638)
2、Adv.?Mater. 綜述：MOF衍生材料的合成與能源應用
圖2 MOF基前驅體及其衍生的納米材料的合成策略概述圖
金屬有機骨架（MOFs）的結構和組成豐富多樣，因此受到科研工作者的極大關注。科學家對制備具有復雜結構的先進納米材料和定制MOF衍生材料的化學組成具有極大興趣。近日，南洋理工大學的樓雄文和浙江大學的吳浩斌（共同通訊作者）等人綜述了基于MOF衍生材料的合成與能源相關應用。論文詳細介紹了MOFs及衍生材料復雜結構的精細設計和制備，包括多孔結構，單殼空心結構和多殼空心結構和其他復雜結構。此外，文章還介紹了材料在鋰離子電池、超級電容器和燃料電池的電極材料或催化劑等方面的應用。
文獻鏈接：Complex Nanostructures from Materials based on Metal–Organic Frameworks for Electrochemical Energy Storage and Conversion?(Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201703614)
3、Adv. Energy Mater.綜述：可充電固態鋰空電池和鋰硫電池
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圖3 固態鋰硫電池(a)和鋰空電池(b)示意圖
盡管鋰空電池和鋰硫電池已有實質性發展，但由于其有機電解質的易燃性，所以安全性仍是亟待解決的問題。此外，Li-Air電池的電解質揮發和Li-S電池的“穿梭效應”嚴重阻礙了其發展。發展固態Li-Air和Li-S電池是最好的解決方案之一。然而，在固態電解質、電極和界面等方面仍然存在許多挑戰。南京大學的周豪慎和何平（共同通訊作者）等人對固態Li-Air和Li-S電池發展進行了全面的討論。論文首先介紹了固體電解質的發展，包括離子電導率和化學穩定性。然后介紹了兩個電池的陰極和電極/電解質界面。最后提出了復合陰極的優化和電極-電解質界面的改進等建議。
文獻鏈接：Rechargeable Solid-State Li–Air and Li–S Batteries: Materials, Construction, and Challenges(Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201701602)
4、Adv. Energy Mater.綜述：用于水分解和光伏的半導體金屬氧化物納米結構
圖4 應用于分層結構和陣列制造的不同種類的0D，1D和2D MOx結構單元
金屬氧化物（MOx）半導體納米結構在開發可再生能源新平臺，通過光伏效應，太陽能燃料和水分解實現能量轉換和儲存方面發揮著關鍵作用。地球豐富的MOx納米結構可以通過簡單和可擴展的路線制備，這可以充分利用其出色的光、電和催化性能。近日，瑞典呂勒奧理工大學的Isabella Concina, Zafar Hussain Ibupoto, Alberto Vomiero（共同通訊作者）等人介紹了這一領域的最新研究成果，突出了MOx納米結構的多功能性，以滿足不同體系的高效率要求。論文還指出至今人們還未獲得滿足高效率、穩定性和在實際情況下工作的光電化學系統。克服當前局限性的方法一方面是多材料體系的制造，另一方面是電極設計。
文獻鏈接：Semiconducting Metal Oxide Nanostructures for Water Splitting and Photovoltaics(Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201700706)
5、Adv. Energy Mater.綜述：光纖柔性熱電發電機
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圖5一個典型的FTEG覆蓋在球體上（A）和設備結構的放大圖（B）
基于光纖的柔性熱電能發電機具有3D變形，重量輕的優點，并且適用于大面積余熱回收，能夠作為可穿戴或移動電子設備的能量供應者，其中，器件對材料具有的較大的機械變形，高能量轉換效率和電氣穩定性要求極高。這些設備可以在普通環境下低溫或室溫制造，從而提供了大量成本低廉且可靠的產品。近日，香港理工大學的Xiaoming Tao和Tao Hua（共同通訊作者）等人綜述了最先進的基于光纖的熱電發電機，涵蓋了其工作原理、材料、器件結構、制造方法、特性和潛在應用。此外還討論了科學和實際的挑戰和機會。
文獻鏈接：Fiber-Based Thermoelectric Generators: Materials, Device Structures, Fabrication, Characterization, and Applications(Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201700524)
6、Chem. Soc. Rev. 綜述：將納米材料用于水保護和監測
圖6 CNT作為吸附劑吸附有機和無機水污染物
廢水污染物的有效處理是必須的，否則它們會不斷污染有限的淡水資源，嚴重影響水陸空的動植物生存。近日，新加坡國立大學的Seeram Ramakrishna和德國萊布尼茨表面改性研究所的Rasel Das（共同通訊作者）等人對目前的研究趨勢進行了詳盡的介紹，尤其是納米材料（NMs）顯著提高了廢水處理如吸附，催化，分離和消毒的性能。此外，文章重點闡述了基于納米材料的傳感器技術，因為它們已被用于監測水污染。研究者還建議未來必須更詳細地調查潛在破壞性NM技術，并且強調了在實施大規模凈水之前需要解決NM的環境修復的問題。
文獻鏈接：Recent advances in nanomaterials for water protection and monitoring?(Chem.Soc.Rev.,2017, DOI: 10.1039/C6CS00921B)
7、Chem. Soc. Rev.綜述：將結晶多孔材料用于電化學儲能
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圖7 MOF-5（a）和COF-5（b）的結構單元和晶體結構
金屬-有機骨架（MOFs）和共價-有機骨架（COFs）是兩個新興結晶多孔材料（CPMs）。這些堅固的框架特點是在分子水平上具有非凡的孔隙度，突出的結構多樣性和功能可調性。近日，北京理工大學的王博（通訊作者）等人介紹了MOFs和COFs在電池和超級電容器領域的最新進展，并闡述了CPMs在電化學能量存儲器件中的功能，包括電化學能量儲存，電極材料的穩定，電荷傳輸的途徑，質量傳遞和促進電化學反應等。此外，文章還詳細討論了每個功能的主要要求，并提供了進一步的開發指導。
文獻鏈接：Emerging crystalline porous materials as a multifunctional platform for electrochemical energy storage (Chem.Soc.Rev.,2017, DOI: 10.1039/C7CS00283A)
8、Chem. Rev.綜述：利用同步加速器X射線分析技術研究可充電電池材料電化學
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圖8 同步加速器X射線分析技術研究可充電電池材料電化學示意圖
可充電電池技術引發了運輸、電子和電網儲能等行業的革命。可充電電池的進一步發展需要新的化學物質，這需要進一步了解各種電池技術中的材料電化學。在過去十年中，電池材料的進步得益于新的分析技術，這些技術能在長度和時間尺度上探測電池化學物質。同步加速器X射線分析技術作為最有效的方法之一，可以通過光譜、散射和成像能力對材料特性（如具有各種深度靈敏度的電子和幾何結構）進行近無損探測。近日，美國弗吉尼亞理工學院的Feng Lin和勞倫斯伯克利國家實驗室的Marca M. Doeff（共同通訊作者）等人首先討論了各種可充電電池的重要科學問題，隨后闡述了同步加速器X射線的分析工具及其成功應用。然后討論了同步加速實驗的實驗設計和減輕光束效應的方法。最后，文章闡述了同步加速技術如何影響下一代電池化學的發展。
文獻鏈接：Synchrotron X-ray Analytical Techniques for Studying Materials Electrochemistry in Rechargeable Batteries(Chem.Rev.,2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00007)
9、Acc. Chem. Res.綜述：用于癌癥的NIR響應性光熱半導體納米材料的設計和功能化
圖9 科研團隊在NIR響應光熱半導體納米材料中的進展
盡管醫療技術在發展，但癌癥仍然是人類生存的巨大威脅。光熱治療（PTT）是一種用于癌細胞的選擇性光熱消融的微創方法，不損害正常細胞。近來，由于近紅外（NIR）區域的吸光度強，光熱轉換效率高，因此銅硫族化物半導體成為極具前景的光熱劑。然而有效PTT的最小激光功率強度仍然顯著高于人類皮膚暴露的保守極限。提高光熱轉換效率和降低激光功率密度已成為PTT發展的方向。此外，為了提高治療效果，可以將光熱劑與抗腫瘤藥物、光敏劑或放射增敏劑整合來制備許多多模治療納米結構，從而產生協同效應。
近日，東華大學的鄒儒佳和胡俊青（共同通訊作者）介紹了NIR響應光熱半導體納米材料用于癌癥治療的設計和功能化。研究人員開發了一系列硫屬化物和納米復合材料，用于癌癥治療和協同治療。論文總結了包括體外和體內應用的設計和表征。然后分析了NIR響應光熱半導體納米材料臨床應用的趨勢，突出了其前景和挑戰。NIR響應的光熱半導體納米材料的光熱技術將促進癌癥研究者在未來取得巨大進步。
文獻鏈接：Design and Functionalization of the NIR-Responsive Photothermal Semiconductor Nanomaterials for Cancer Theranostics(Acc. Chem. Res.,2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00294)
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