材料前沿最新綜述精選(2018年1月第3周)

1、Nature Reviews Materials：氮空位中心探測在凝聚態物理中應用

圖1 氮空位中心探測在凝聚態物理中應用的機理以及測試過程

自旋和電流產生的磁場為電子材料和器件的物理學開創了一個獨特的視角。氮空位缺陷的電子自旋測磁法成為適合探測凝聚態體系的平臺，它可以從低溫操作到高溫，并且傳感器采樣距離小至幾納米。近日，哈佛大學Amir Yacoby（通訊作者）團隊討論了磁力測量法在凝聚態物理學研究中的應用，重點研究了它用于研究靜態和動態磁性結構以及靜態和動態電流的分布情況。文章討論了磁力測量如何解開靜態介觀平面電流分布，因為這些可以由雜散場測量獨特地重建。理論上提出了允許測量實空間兩點自旋-自旋相關函數的協議，并討論了使用自旋波激發介導遠離NV中心之間的相互作用。

文獻鏈接：Probing condensed matter physics with magnetometry based on nitrogen-vacancy centres in diamond (Nat.Rev.Mater.,2018,DOI:10.1038/natrevmats.2017.88）

2、Progress in Polymer Science: Li ⁺導電固體聚合物電解質

圖2 PEO：LiFSI和PEC：LiFSI電解質的離子電導率和玻璃化轉變溫度的比較

用于鋰基電池等應用的導電固體（無溶劑）聚合物電解質中的大部分為聚醚基材料，尤其是原型聚環氧乙烷（PEO）。然而，多年來人們已經探索了大量可選擇的聚合物主體，包括聚碳酸酯、聚酯、聚腈、多元醇和多胺的材料。近日，來自烏普薩拉大學的Daniel Brandell（通訊作者）團隊對這些“替代性”鋰離子傳導SPE主體材料進行了研究，從電化學器件潛在應用的角度進行了總結和討論，重點關注了鋰電池，并突出綜述了目前基于PEO模式的主要挑戰和機遇。

文獻鏈接：Beyond PEO—Alternative Host Materials for Li⁺-Conducting Solid Polymer Electrolytes（Prog.Polym. Sci.,2018,DOI:10.1016/j.progpolymsci.2017.12.004）

3、Advanced Materials: 基于半導體光催化還原二氧化碳的助催化劑、成就、挑戰和機遇

圖3?用于太陽能燃料生產的光催化還原二氧化碳的示意圖

化石燃料燃燒和大規模CO₂排放引發了全球能源危機和氣候變化。解決該問題的有效方法就是利用太陽能將CO₂轉化為碳氫化合物清潔燃料，該方法將CO₂轉化的還原性半反應與氧化性半反應組合，以產生碳中性循環，為全球能源和環境問題提供了可行的解決方案。近日，來自阿德萊德大學的喬世璋教授（通訊作者）等人總結了光催化還原CO₂的關鍵過程，并對如何提高光催化效率的方法進行了歸納總結，光催化還原CO₂的關鍵過程包括：（i）太陽光吸收，（ii）電荷分離/遷移，（iii）催化CO₂還原和H₂O氧化。提高光催化的分離效率需要助催化劑，助催化劑在這個過程中起到四個重要作用：（i）促進電荷分離/轉移，（ii）改善CO₂還原的活性和選擇性，（iii）增強光催化劑的穩定性，（iv）抑制側面或背面反應。文章總結了半導體光催化CO₂轉化還原助催化劑的作用機理，選擇高活性、具有選擇性和穩定性的助催化劑對于實現高效，穩定的光催化還原二氧化碳至關重要。

文獻鏈接：Cocatalysts in Semiconductor-based Photocatalytic CO₂ Reduction: Achievements, Challenges, and Opportunities,(Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201704649）

4、Advanced Energy Materials：高效鈣鈦礦太陽能電池的無摻雜空穴傳輸材料

圖4?理想的DF-HTM必要條件

鈣鈦礦太陽能電池在不到七年的時間內已經提供了超過22％的功率轉換效率，這意味著低成本光伏發電具有高效率和低嵌入能量的潛力。除了“鈣鈦礦熱”之外，新型空穴傳輸材料（HTM），特別是無摻雜劑HTMs的開發是另一個研究熱點。這是因為目前使用的HTM需要額外的化學摻雜工藝以確保有效的空穴傳輸和收集足夠的導電性以及合適的離子電位水平。然而，常用的摻雜劑是揮發性和吸濕性的，不僅增加了器件制造的復雜性和成本，而且還降低了器件的穩定性。

近日，來自中科院海西院廈門稀土材料所高鵬教授（通訊作者）團隊總結了最近報道的DF-HTM，包括無機/有機p型半導體，有機配合物和復合材料。在每個類別中，根據分子量或幾何形狀將HTM進一步分類為子類別。無機p型半導體具有化學穩定性好，價帶能級合適，可見光區透明度高的優點。它們可以在沒有任何添加劑的情況下提供強大的器件架構，可以合成具有高遷移率，導電性和熱穩定性的多種化學結構。基于上述分析，該團隊得出了四個經驗規則來設計理想的DF-HTM，首先，它應該具有適當的能量水平以匹配相應的鈣鈦礦吸收劑； 其次，在運行條件下應該穩定和健全；最后，沉積后應提供高導電性和流動性。 而且，HTM和鈣鈦礦之間的界面應該進行合理的調整，以提高器件的整體穩定性。

?文獻鏈接：Less is More: Dopant-Free Hole Transporting Materials for High-Efficiency Perovskite Solar Cells(Adv. Energy Mater.,2018,DOI: 10.1002/aenm.201702512）

5、Advanced Materials：可印刷透明導電薄膜用于柔性電子器件

圖5 APP燒結系統、卷對卷凹版膠印印刷后聚焦激光燒結來制造柔性Ag電極以及熱壓金屬網格嵌入式透明電極的制造的示意圖

印刷電子技術是開發低成本，大面積，靈活的光電子器件的重要技術。透明導電薄膜由可溶解加工的透明導電材料制成，石墨烯與傳統的濺射銦錫氧化物TCFs相比，可以同時表現出較高的機械靈活性，低成本和較好的光電性能，近日南京郵電大學黃維院士、賴文勇教授（共同通訊作者）等人總結了幾種卷對卷兼容印刷技術（包括噴墨印刷，絲網印刷，膠版印刷和使用新興的透明導電材料的凹版印刷）實現的大面積柔性TCF的最新進展。文章詳細討論了包括油墨配方，基板處理，圖案化和后處理在內的TCF的制備，以及在太陽能電池，有機發光二極管和觸控面板中的應用。印刷技術與新興的透明導電材料的組合拓展了印刷電子產品在柔性顯示領域以及其他領域的發展機遇。

文獻鏈接：Printable Transparent Conductive Films for Flexible Electronics?(Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201704738）

6、Chemical Reviews：均相催化二氧化碳的電還原方法和機理

圖6?電化學還原CO₂機理圖

通過電化學還原CO₂的方法可用于生產高附加值化學品或燃料，在催化過程中的第二外部配位球的重要作用已經變得十分明顯，金屬-配體協同性近來已經成為進一步調整催化行為的研究重點。近日，來自羅斯托克大學的Robert Francke（通訊作者）等人研究了近三十年來均相催化劑在電催化CO₂還原中的發展。包括對基本機制原則的討論，對機理的研究，催化劑基準測試的實驗和計算技術的處理。文章尤其在催化劑家族在機械方面的應用進行了詳細的討論，并突出了該領域的最新進展。

文獻鏈接：Homogeneously Catalyzed Electroreduction of Carbon Dioxide—Methods, Mechanisms, and Catalysts (Chem.Rev.,2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00459）

7、Chemical Reviews：化學工藝中的綠色可持續溶劑

圖7?木質纖維素生物質可以產生的溶劑a) d-檸檬烯，b) 甘油，c) γ-戊內酯，d) 環戊烯和e) 2-MeTHF

由于人們意識到溶劑對環境保護，能源使用以及對空氣質量和氣候變化的貢獻，因此可持續溶劑是研究者們和化學工業日益關注的話題。為了解決環境污染、能源使用等問題，研究者們在過去三十年里已經提出并開發了一系列更綠色或更可持續的溶劑。近日，帝國理工學院Jason P. Hallett教授（通訊作者）等人敘述了目前使用的最突出的可持續有機溶劑的幾個方面：離子液體、低共熔溶劑、超臨界流體、可轉換溶劑、液體聚合物和可再生溶劑，不僅研究了每種溶劑在其反應或萃取過程中的性能，還描述了溶劑制備的背景、技術、經濟和環境因素，為綠色可持續溶劑制備提供了一個新的思路。

文獻鏈接：Green and Sustainable Solvents in Chemical Processes (Chem.Rev.,2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00571）

8、Chemical Society Reviews：電池接口分析的原位分析技術

圖8 原位分析技術的發展歷程

電池的功率輸送取決于電化學性能和電極，電解質及其界面的穩定性。電極/電解質的界面現象涉及鋰枝晶形成，電解質降解和氣體逸出以及在電極-電解質界面形成半固體保護層。SEI保護電極免受進一步的剝落或腐蝕，并抑制鋰枝晶的形成，這是提高電池性能的關鍵需求。近日，來自國立臺灣科技大學的Bing Joe Hwang教授（通訊作者）等人論述了人工和自然形成的SEI的組成，結構和形態學方面以及各種原位分析工具所遇到的挑戰，提出了推動這一領域的新興研究方向。

文獻鏈接：In situ analytical techniques for battery interface analysis (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00180K）

9、Chemical Society Reviews：生物敏感的智能不對稱納米通道膜

圖9?構建BSANM系統的方法

不對稱納米通道膜的研究橫跨材料科學，生物科學，納米技術等領域等學科，理解BSANM的傳輸特性可以為模擬生物體內離子轉運過程提供基礎指導，這將為BSANM系統在許多領域開拓廣闊的應用前景。近日，來自中科院理化技術研究所的聞利平教授（通訊作者）課題組論述了基于具有不同尺寸的原材料的構建方法，首先提出了設計和建造BSANM系統的通用策略，并將其納入從均相到非均相納米通道膜的最新發展；然后，文章介紹了BSANM的基本性質，包括選擇性、門控和糾正，這些都與特定的化學和物理結構有關，文章還總結了BSANM在能量轉換，生化傳感等領域的實際應用，旨在建立一個廣泛而深入的知識庫，為科學界提供可靠的信息來源。

文獻鏈接：Bioinspired smart asymmetric nanochannel membranes (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00688H）

10、Accounts of Chemical Research.：In₄Se₃材料的高熱電性能及影響因素

圖10 In₄Se₃的結構及其改性方法

熱電材料已經引起了全球對可持續能源應用的重點關注。作為最先進的熱電材料之一的In₄Se₃，其特征包含In/Se鏈的準二維片材的晶體結構，晶粒的隨機分布和晶界效應導致In₄Se₃的電輸運性能較差是影響其性能的主要障礙。近日，來自北京師范大學吳立明教授（通訊作者）等人發現In₄Se₃晶胞中的In4位置是諸如Pb的摻雜物的替代物，其可將載流子濃度增加2個數量級，電導率增加到143S/cm。當Cu被摻雜到間隙位置時，電導率顯著增加到大約160S/cm，但是用In1/In2/In3位摻雜劑例如Ni，Zn，Ga和Sn其電導率會保持低至30S/cm，文章總結了所有單晶和多晶In₄Se₃材料的ZT值在不同晶格位置應用的摻雜策略的函數。此外，作者還介紹了所有多晶材料的電導率與塞貝克系數之間的關系，這些見解可能為在In/Se和相關的In/Te，Sn/Se和Sn/Te系統中尋找和選擇新的熱電化合物提供新的思路。

文獻鏈接：High Thermoelectric Performance of In₄Se₃-Based Materials and the Influencing Factors (Acc.Chem.Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00480）

11、Accounts of Chemical Research.：超導復合金屬間化合物Be₂₁Pt₅中的團簇形成

圖11 Be₂₁Pt₅ 晶體結構示意圖

具有γ-黃銅型晶體結構的材料是金屬間化合物的典型代表。主族元素的γ-黃銅相是相當少見的。近日，來自馬克思普朗克研究所的Yuri Grin（通訊作者）團隊合成了該族新成員Be₂₁Pt₅，并對其晶體結構，化學鍵和物理性質進行了表征。Be₂₁Pt₅以立方晶系空間群F4?3m結晶，晶格參數a = 15.90417?，每單位晶胞有416個原子。從晶體學的角度來看，二元物質代表了一個稱為復合金屬合金的特殊的金屬間化合物族。Be₂₁Pt₅的結構基元被描述為具有明顯分布缺陷的簡單bcc結構圖案的γ-黃銅結構。晶體結構的主要構建元素是四種類型的嵌套多面體單元（簇），其組成為Be₂₂Pt₄和Be₂₀Pt₆。每個簇包含四個殼（4 + 4 + 6 + 12個原子）。具有不同組成的團簇顯示了鉑和鈹對殼的各種位置占領，具有相同組成的多面嵌套單元根據殼原子到團簇中心的距離而變得不同。

文獻鏈接：Cluster Formation in the Superconducting Complex Intermetallic Compound Be₂1Pt₅ (Acc.Chem.Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00561）

本文由材料人電子組楊超供稿，材料牛整理編輯。

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