材料前沿最新綜述精選(2018年4月第1周)

1、Nature Reviews Materials 綜述：鈣鈦礦太陽能電池的批量制造

鈣鈦礦材料在世界上儲量豐富，已經在大規模應用上取得了一定的成果，然而仍然存在一些問題需要解決。目前最理想的裝置結構還沒有被找到。實驗室獲得的高效裝置，需要的鈣鈦礦材料較為復雜。對于電沉積，鈣鈦礦材料具有低的形成能，可以采用卷式和其他高效率的設備生產。因此，鈣鈦礦太陽能電池適用于大規模產能需求，生產成本低，資源消耗少。這可以與薄膜光伏發電相媲美。目前，如何讓實驗室太陽能電池的規模和穩定性可以趕得上光伏發電技術是研究的主要焦點。因此，本綜述總結了鈣鈦礦太陽能電池大規模制備的研究進展和目前面臨的主要困難。近日，美國國家可再生能源實驗室的Zhu Kai（共同通訊）等人，討論了常用的太陽能電池和模塊結構，大規模電沉積方法及其研究進展和電荷傳輸層的研究。對未來的鈣鈦礦電池組件的穩定性、組件的表征技術和其經濟技術進行了分析。

圖1 鈣鈦礦太陽能電池的效率圖：（a）近幾年鈣鈦礦電池的功率轉換效率圖；（b）不同電池的功率轉換效率圖。

文章鏈接：Scalable fabrication of perovskite solar cells (Nat. Rev. Mater. ,2018, DOI: 10.1038/natrevmats.2018.17)

2、Progress in Materials Science 綜述：超薄薄膜在納米尺度上界面合金相的形成動力學：X射線和極化中子反射技術

不同金屬制備的多層薄膜在退火時能夠模擬異質結構界面相的形成，從而揭示相形成的動力學規律。界面相形成的研究，對于材料的應用具有重要意義，也可以揭示超薄薄膜的形成機理。金屬中間相結構具有優異的性能，但是在大塊金屬合金內，其顯微結構特點很難觀察。許多金屬中間相兼具優異的物理和機械性能，例如，高熔點、低密度、高強度、抗氧化性和抗蠕變等。在過去的20年里，X射線和極性中子反射技術一直作為無損檢測技術，測試亞納米級的多層薄膜的磁學和物理性能。這些技術結合中子和同步輻射后，能夠進一步揭示層狀結構的特點。本文總結了采用X射線和中子反射技術，測試異質結構界面的低擴散，并獲得薄膜界面相和低溫退火的多層膜形成的動力學特點。近日，印度巴巴原子能研究中心的Saibal Basu和Surendra Singh（通訊作者）等人，總結了大塊金屬材料轉變薄膜材料的幾種動力學模型研究。并敘述了相形成的過程中界面的形貌變化，異質層的自擴散和多層退火界面中合金相的成分變化的檢測和擴散的動力學特點。這些特點對于相的成分和性能具有重要影響。

圖2 固態晶體相的擴散示意圖

文章鏈接：Kinetics of interface alloy phase formation at nanometer length scale in ultra-thin films: X-ray and polarized neutron reflectometry(Prog. Mater. Sci. ,2018, DOI: 10.1016/j.pmatsci.2018.03.005)

3、Energy and Environmental Science 綜述：CdS基光催化劑

目前，解決環境污染和全球能源短缺的問題成為了當務之急。半導體光催化技術可以使太陽能轉換成化學燃料，這項技術正在被廣泛研究。在半導體催化劑領域，CdS的低帶隙對于可見光的響應，對于質子的減少具有足夠的帶邊電位，因此得到了關注。研究發現，CdS基催化劑具有優異的催化性能，因為它可以利用太陽能燃料發電，進而保護生態環境。本文總結了當前各種CdS及CdS基光催化劑的設計和合成的研究進展；CdS的物理和化學性能和相關的生長機制；CdS基光催化劑的應用。近日，電子科技大學的張懷武和向全軍（共同通訊）等人，討論了CdS及CdS基光催化劑的主要研究成果。其中，文章將材料的合成方法、形貌調控及不同形貌下的光催化性能，進行了對比分析。CdS基光催化劑可以催化產氫和降解CO₂，減少環境污染，提供新的能源材料。這是因為CdS能夠吸收可見光，促進光載流子的分離。因此，通過簡單的方法合成CdS基光催化劑不僅僅對太陽能燃料發電有促進作用，也能夠對其他光催化劑的研究提供指導。

圖3 CdS基光催化劑的總體分析簡圖

文章鏈接：CdS-based photocatalysts (Energy Environ. Sci. ,2018, DOI: 10.1039/C7EE03640J)

4、Progress in Polymer Science 綜述：可逆共價鍵的聚合物新材料的合成與性能

可逆的共價鍵聚合物能夠改變它們的價態排列和結構，但仍可以獲得改變后的穩定結構。雖然人們研究了很多可逆共價鍵聚合物新材料的合成，但是還沒有克服永久共價鍵聚合物的劣勢，也沒有帶來新的應用潛力。目前，許多新技術已經投入到聚合物的制備過程中，例如：性能調整、自修復、再加工、固態再生和控制降解等方法，這為提升傳統的聚合物制備工藝提供了更多可能。雖然目前的研究仍屬于初期階段，但是對于大規模的應用仍具有很強的推動作用。文中總結了這種發展的現狀，遵循自下而上的策略，充分考慮了理論和實驗的研究成果。近日，中山大學的章明秋和容敏智（通訊作者）等人，總結了可逆共價鍵的聚合物新材料的合成與性能的研究進展。其內容主要包含四個方面：（1）可逆共價鍵的化學基礎；（2）可逆共價鍵聚合物的流變性；（3）可逆共價鍵聚合物的合成方法；（4）可逆共價鍵的化學的智能自適應特性。雖然聚合物中含有可逆共價鍵的優勢和劣勢在文中得到了充分的分析，但是可逆共價鍵化學的平衡控制仍具有很多挑戰和機會。

圖4 可逆共價化學作用下的聚合物應用

文章鏈接：Polymer engineering based on reversible covalent chemistry: A promising innovative pathway towards new materials and new functionalities (Prog. Polym. Sci. ,2018, DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2018.03.002)

5、Accounts of Chemical Research 綜述：分子團簇：利用納米尺度構筑單元制備固態材料

將納米塊進行自組裝合成多成分異質結構是自下而上功能材料的有效合成策略。作者的團隊探索了分子團簇組裝成的超原子塊，用來制備新材料。原子團簇的組裝具有很多優異的性能，包括多功能化、氧化還原活性、磁有序性，因此組裝的超原子晶體具有可調性、原子準確性和穩定的框架結構。分子團簇很少作為功能材料的前驅被研究。作者團隊一直致力于這一領域的最新發展，文中總結了團簇前驅體材料設計的最新成果。近日，美國哥倫比亞大學的Xavier Roy（通訊作者）等人，總結課題組在分子團簇前驅的研究進展：（1）分子團簇組成超原子塊的合成與設計；（2）超原子晶體的自組裝；（3）超原子晶體的性能研究。

圖 5 超原子晶體的合成及性能示意圖

文章鏈接：Molecular Clusters: Nanoscale Building Blocks for Solid-State Materials (Acc. Chem. Res. , 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00016)

6、Chemical Society Reviews 綜述：可穿戴柔性電子器件的持續分子追蹤

可穿戴柔性電子器件在個體化用藥的預測分析和治療中，具有很高的應用潛力，因此獲得了大量的關注。柔性電子器件具有許多獨特的性能，例如：質量輕、價格低、柔性好和舒適度高，這些性能符合個人穿戴裝置的要求。不同于大部分柔性傳感器主要依賴于物理活動和生命體征，新一代可穿戴柔性化學傳感器具有信號及時、連續和快速探測生物指標的特點。同時在分子水平上，個人動態生命狀態的信號能夠得到大量收集。近日，加州理工學院的Gao Wei（通訊作者）等人，總結了可穿性柔性傳感器的最近研究進展。其中，汗液、眼淚、唾液、細胞間液、血液、傷口滲出液和呼出的氣體都可用做持續和無傷的分子分析。可柔性特點、傳感機制和持續信號采集裝置的組裝和設計，在文中得到了總結和分析，同時文章討論了可穿戴柔性傳感器在未來的發展和挑戰。

圖6 可穿戴柔性傳感器在人體無傷下的檢測信號

文章鏈接：Wearable and flexible electronics for continuous molecular monitoring (Chem. Soc. Rev. ,2018, DOI: 10.1039/c7cs00730b)

7、Chemical Society Reviews 綜述：燃料電池中多金屬納米片的合成與應用

單原子或幾個原子厚度的二維多金屬納米片，比體相材料具有更多優勢，包括電子遷移速率、表面不飽和配位鍵、高的縱橫比、獨特的物理和化學性能、電子性能等。薄膜的超薄厚度使其具有超高的比表面積、較高的表面能，因此可以用做燃料電池中表面活性物質。近日，清華大學的王訓（共同通訊）等人，先總結了多金屬納米片的尺寸、厚度、形狀和成分的精準控制的設計與合成。之后，多金屬納米片的電化學性能和高的穩定性被研究，包括：氧還原反應、產氫效率、甲酸氧化、甲醇氧化、乙醇氧化和甲醇的耐受性研究。最后，文章分析了多金屬納米片在燃料電池中的電催化作用，低價格特點和高穩定性的特點，討論了這種材料在燃料電池的發展趨勢。

圖7 二維納米材料的TEM分析

文章鏈接：Multimetallic nanosheets: synthesis and applications in fuel cells (Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI: 10.1039/c8cs00113h)

8、Chemical Society Reviews 綜述：液態金屬在化學領域的功能與應用

過渡族元素和鋅族元素具有金屬和液態的特點，因此這些元素及其合金具有許多優異的性能。含有這些元素的合金具有低的熔點，可以用作各領域的物理和化學材料合成。這些合金在新材料的合成方面具有重要應用。新材料往往具有很好的催化性能，也可以用于微流控芯片、柔性電子器件和醫藥方面。近日，皇家墨爾本理工學院的T. Daeneke和K. Kalantar-zadeh（通訊作者）等人，重點概述了液態金屬材料的基礎研究進展，包括：液態金屬的制備、表面官能團的獲得和液態金屬的化學特點。同時，探討了液態金屬的發展和應用。

圖8 液態金屬的應用簡圖

文章鏈接：Liquid metals: fundamentals and applications in chemistry (Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI: 10.1039/c7cs00043j)

9、Chemical Society Reviews 綜述：DNA金屬化：理論、方法、結構和應用

近年來，DNA金屬化已經得到了快速的發展，從僅僅由導電金屬納米線，制備各類納米材料，已經可以應用于納米光刻、能源轉換和儲能、催化、傳感器和生物工程領域。因為DNA具有不同的排序、構型和結構，進而可以合成不同特點的納米金屬。近日，中科院長春應用化學研究所的曲曉剛和任勁松（共同通訊）等人，總結了自從1998年以來，DNA金屬化的研究進展；對比了基因法與直接模板法制備納米材料的優缺點；提供了采用DNA金屬化，制備材料的方法；討論了這些納米金屬的應用領域，分析了DNA金屬化在未來的發展和挑戰。

圖9 DNA金屬化雜化形成金屬納米線的示意圖

文章鏈接：DNA metallization: principles, methods, structures, and applications (Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI: 10.1039/c8cs00011e)

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