材料前沿最新綜述精選(2018年1月第4周)

1、Advanced Energy Materials?綜述：摩擦納米發電機收集風能

圖1 傳統風力發電機（左）與摩擦納米發電機（右）的比較

為了滿足對清潔可持續能源的需求，人們對清潔風能的開發取得了巨大進展。最經典的方法是使用直徑大于50米，重量大于50噸的電磁效應風力發電機組，每臺風力發電機組的成本可能超過50萬美元，并且只能安裝在偏遠地區。基于接觸電氣化和靜電感應原理的摩擦納米發電機已被用于收集風能，其具有電壓高，成本低和尺寸小的優點。在這里，作者通過關注摩擦電材料優化，結構改進以及與其他類型的能量收集技術的結合來開發風力驅動的摩擦納米發電機。此外，文章總結了其主要應用，突出了今后需要解決的挑戰和清潔風能的發展方向。中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和楊亞（共同通訊作者）等人回顧了制造摩擦納米發電機的典型摩擦材料和結構，并通過優化摩擦電材料，改進發電機結構以及聯合其他能量收集技術發展了風力驅動的摩擦納米發電機。此外，文章總結了摩擦納米發電機的主要應用，提出了今后需要解決的問題以及風能收集的發展方向。

文獻鏈接：Scavenging Wind Energy by Triboelectric Nanogenerators（Adv. Energy Mater.?,2018,DOI:10.1002/aenm.201702649）

2、Advanced Materials綜述：工程納米顆粒在哺乳動物細胞中的攝取機制和細胞內命運：透射電子顯微鏡的能力和局限性—聚合物基納米顆粒

圖2 通過透射電子顯微鏡在超薄細胞切片上觀察到的各個過程

許多消費品使用納米顆粒作為添加劑，而特制納米對象作為新的治療和診斷平臺得到了迅速發展，因此深入了解納米顆粒的生物效應變得至關重要。透射電子顯微鏡（TEM）是研究納米顆粒（NPs）的攝取和細胞內命運的重要方法，因為TEM能夠提供大分辨率，并且其觀察細胞內部的超微結構以及膜特征的能力是其他方法無法比擬的。近日，席勒耶拿大學的Stephanie Hoeppener（通訊作者）等人總結了利用TEM研究哺乳動物細胞中特制的聚合物納米顆粒的攝取和作用模式。論文討論了TEM的能力和局限性，對TEM所支持的普通納米顆粒攝取進行了闡述。此外特別強調了處理電子顯微鏡中的低對比度材料（聚合物和聚合物改性納米顆粒）的方法。

文獻鏈接：Uptake and Intracellular Fate of Engineered Nanoparticles in Mammalian Cells: Capabilities and Limitations of Transmission Electron Microscopy—Polymer-Based Nanoparticles（Adv.Mater.,2018,DOI:10.1002/adma.201703704）

3、Advanced Energy Materials綜述：改進金屬化合物（MOFs, -S, -OH, -N, -C）作為Li-S電池負極材料

圖3 不同硫負極材料比較

鋰硫（Li-S）電池與鋰離子（Li-ion）電池一樣具有高效而廣泛的潛力，因為硫電極具有高的理論容量（1672 mA h g_sul^-1），且價格適中。然而Li-S電池的商業化卻很難實現。多硫化物的穿梭效應不可避免地導致容量衰減。目前，人們多通過多硫化物的物理限制和化學吸附解決這一難題。由于分子間相互作用較弱，物理限制策略在電池長期循環時不起作用。化學吸附來源于極性相互作用，路易斯酸堿相互作用和硫鏈連接顯著地抑制了多硫化物的穿梭效應。研究人員還發現金屬化合物與多硫化物具有強烈的化學相互作用。近日，悉尼科技大學的汪國秀、Dawei Su和東莞理工學院的范洪波（共同通訊作者）等人重點介紹了金屬有機骨架金屬硫化物，金屬氫氧化物，金屬氮化物，金屬碳化物，并討論了化學相互作用如何與這些金屬化合物的獨特性能相結合，以解決多硫化物穿梭效應的問題。

文獻鏈接：Updated Metal Compounds (MOFs, -S, -OH, -N, -C) Used as Cathode Materials for Lithium–Sulfur Batteries（Adv. Energy Mater.,2018,DOI:10.1002/aenm.201702607）

4、Nature Reviews Chemistry綜述：用于析氫和二氧化碳還原的低維催化劑

圖4 低維材料的物理性質：具有不同電子結構的0D納米顆粒，1D納米線/納米管和2D納米片

低維材料和它們的雜化物已成為電催化和光催化制氫和將二氧化碳轉化成有用分子的優秀之選。發展催化劑合成方法以及深入了解基本催化機理能夠進一步合理設計具有改進性能和選擇性的催化納米材料。近日，蒙彼利埃大學的Damien Voiry（通訊作者）等人通過電催化和光催化分析了實現低維納米材料和它們的范德華異質結構用于析氫和二氧化碳還原的現狀，并且探索了這兩種反應的機理和不同的策略，以進一步優化低維催化劑的活性，效率和選擇性。

文獻鏈接：Low-dimensional catalysts for hydrogen evolution and CO₂ reduction（Nat. Rev. Chem.,2018,DOI:10.1038/s41570-017-0105）

5、Angewandte Chemie International Edition綜述：從嵌段共聚物的精確合成到納米顆粒的性能和應用

圖5 嵌段共聚物膠束中的金屬納米顆粒的（a）覆盆子樣和（b）櫻桃樣形態

無機納米顆粒由于其獨特的性質而成為眾多領域的研究熱點。控制納米顆粒的尺寸和形狀是納米顆粒合成的重要方面。通過嵌段共聚物模板制備無機納米顆粒是高度精確地調整納米顆粒尺寸和形狀的最可靠方法之一。近日，北京大學的于海峰，華東理工大學的林紹梁以及佐治亞理工學院的林志群（共同通訊作者）等人討論了嵌段共聚物模板設計和運用的最新進展，包括空心和核殼等球形無機納米顆粒的制備。模板分為兩類：由線型嵌段共聚物自組裝而成的膠束和單分子星型嵌段共聚物。此外，文章還強調了納米顆粒尺寸和形態的精確控制，討論了由嵌段共聚物模板制備的無機納米顆粒的性質和應用。

文獻鏈接：From Precision Synthesis of Block Copolymers to Properties and Applications of Nanoparticles（Angew. Chem. Int. Ed.,2018,DOI:10.1002/anie.201705019）

6、Chemical Reviews綜述：木質素解聚合——新型化學品

圖6 從木質纖維素中分離木質素的程序

木質素是木質纖維素的主要成分，是地球上最大的芳香族建筑材料來源，并且可以作為生物基產品的起始材料。木質素結構強健復雜，這種有趣的芳香族生物聚合物的價值近年來有了很大的提高。最近出現了許多創造性的策略，例如通過催化或生物催化解聚得到特定產品。近日，格羅寧根大學的Katalin Barta（通訊作者）等人深入闡述了這些新穎的方法以及新型結構在合成生物基聚合物或藥理活性分子方面的潛在應用。研究人員還總結了木質素基化合物官能化或去官能化的方法。

文獻鏈接：Bright Side of Lignin Depolymerization: Toward New Platform Chemicals（Chem.Rev.,2018,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00588）

7、Chemical Reviews綜述：利用基因組序列實現藥物和化學探針的設計

圖7 寡核苷酸的改性和傳送

基因組測序技術的迅速發展使我們進入了后基因組時代。生物醫學研究中的一個關鍵挑戰是利用基因組序列實現個體化治療。近日，斯克利普斯研究所的Matthew D. Disney（通訊作者）等人介紹了基因組測序是如何確定引起疾病的生物分子，以及如何將這些數據轉化為功能化學探針、臨床前引導模式以及美國食品和藥物管理局（FDA）批準的藥物。文章特別介紹了使用基于寡核苷酸模式來靶向致病的RNA；靶向DNA、RNA或蛋白質的小分子；已知治療方式的合理再利用以及藥物遺傳學的優點。最后，文章還討論了直接利用基因組序列進行藥物設計所面臨的挑戰和機遇。

文獻鏈接：Using Genome Sequence to Enable the Design of Medicines and Chemical Probes（Chem.Rev.,2018,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00504）

8、Chemical Society Reviews綜述：非貴金屬Co、Fe、Mn促進的催化（脫）氫化在新興領域的研究進展

圖8 非貴金屬促進（脫）氫化的鉗形配體和配體的結構

催化氫化和催化脫氫反應是現代化學工業的核心。化學合成都是從毫克級探索性有機化學到多噸化學品的生產中發現的。長期以來，貴金屬催化一直是使羰基底物及其含氮物質發生轉化的關鍵驅動力。近日，埃因霍芬理工大學的Georgy A. Filonenko和代爾夫特理工大學的Evgeny A. Pidko（共同通訊作者）等人向讀者介紹了過去三年用非貴金屬催化劑在氫化和脫氫化方面所取得的顯著進展。

文獻鏈接：Catalytic (de)hydrogenation promoted by non-precious metals – Co, Fe and Mn: recent advances in an emerging field（Chem.Soc.Rev.,2018,DOI:10.1039/C7CS00334J）

9、Chemical Society Reviews綜述：利用超分子光敏劑促進光動力治療

圖9 （a）PDT的基本機制和（b）PDT在臨床中的一般程序示意圖

光動力治療（PDT）已經成為極具前景的臨床治療各種癌癥和其他疾病的方法。然而，由于缺乏最佳光敏劑（PSs）和/或智能運輸/激活方案，PDT的潛力尚未全部實現。最近，使用非共價相互作用構建生物活性材料的超分子方法已經成為開發新型PSs的有效方法。另外，可以設計多功能的超分子光敏劑組件，使得PDT與其他治療方式（例如光熱療法）協同作用，改善治療效果。近日，梨花女子大學的Xingshu Li和Juyoung Yoon（共同通訊作者）等人介紹了超分子PSs用于促進PDT的最新進展，并且提供了未來可能取得的進展和潛在的臨床應用。

文獻鏈接：Supramolecular photosensitizers rejuvenate photodynamic therapy（Chem.Soc.Rev.,2018,DOI:10.1039/C7CS00594F）

10、Accounts of Chemical Research綜述：用于光化學能量轉換和光電學的陽離子，環金屬銥（III）配合物的設計

圖10 具有側鏈吡啶基基團的[Ir(ppy)₂(bpy)](PF₆)衍生物

近年來，Ir（III）受到了特別的關注，其環金屬陽離子配合物在絕大多數應用中已經取代了Ru（II）。近日，卡耐基梅隆大學的Stefan Bernhard（通訊作者）等人介紹了這些配合物的顏色調諧，及其在發光電化學電池中的應用。當使用Ir（III）配合物驅動太陽能燃料生產反應時，不同的光物理性質是極為有用的。可以通過使用安裝在光敏劑上的橋接官能團來增強和簡化物質之間的電子轉移過程。此外，文章還探討了使用鋅金屬作為太陽能燃料的可能性。利用DFT計算和循環伏安法，可以清楚地了解染料中有效光化學性質的配合物的電子結構。

文獻鏈接：Judicious Design of Cationic, Cyclometalated Ir(III) Complexes for Photochemical Energy Conversion and Optoelectronics（Acc.Chem.Res.,2018,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00375）

11、Accounts of Chemical Research綜述：多電子嵌入反應能否成為下一代電池的基礎？

圖11 顯示可逆嵌入兩個鋰離子能力的三種材料

嵌入化合物基本上是所有可充鋰電池的基礎。它們具有廣泛的電子和晶體結構。因為每個過渡金屬氧化還原中心允許可逆插入量少于一個鋰離子，因此目前的鋰電池容量有限。人們可以利用發生多電子反應的氧化還原中心來增加存儲容量。這可通過插入多個單價陽離子或一個多價陽離子來實現。近日，賓漢頓大學的M. Stanley Whittingham（通訊作者）等人回顧了鋰和鎂可逆嵌入典型材料的關鍵理論和實驗結果：二硫化鈦TiS₂和磷酸氧釩VOPO₄。這兩種材料都以兩種或多種相存在，這些相具有不同的摩爾體積和/或尺寸。文章得出的一個主要結論是可逆地將兩個鋰離子嵌入到主晶格中，同時保持其晶體結構。第二個主要結論是可以依靠它們來預測簡單嵌入反應可能存儲的能量。從功率或能量密度考慮，基于鎂的嵌入電池相對于鋰電池而言不太可行。然而，這種反應的基本研究將使讀者更好地理解嵌入反應，以及晶體結構在控制化學反應速率和程度方面的重要性。

文獻鏈接：Can Multielectron Intercalation Reactions Be the Basis of Next Generation Batteries?（Acc.Chem.Res.,2018,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00527）

本文由材料人金屬組deer供稿，材料牛整理編輯。

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