材料前沿最新綜述精選（2018年6月第1周）

1、Joule：幾何位置在二維材料儲能中的作用

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圖1?二維材料應用于能量存儲的示意圖

二維（2D）材料因其具有獨特化學和電子性質而被用于充電電池的電極材料，以滿足日益增長的對更高功率和能量密度的要求。在二維納米片內創建新的幾何缺陷并構建由這種片材制成的三維分層材料是進一步改善電化學性能的有效策略。這個新出現的學科結合了數學概念、材料設計工程和電化學，它們可以被稱為新穎的“幾何驅動”能量存儲。近日，北京交通大學王熙（青年千人、通訊作者）團隊提出了“幾何驅動”概念，以闡明與2D材料中各種幾何位置相關的機制，以改善其電化學性能。強調了從二維材料構建的分層材料，如三維皺褶納米粒子、納米花和異質結構；總結了原位透射電子顯微鏡（TEM）技術在理解二維材料中幾何位置效應機制方面的應用；最后，文章討論了關于材料設計的幾何概念，性能預測的理論計算以及用于揭示電化學機制的現代TEM技術的一些觀點。

文獻鏈接：The Role of Geometric Sites in 2D Materials for Energy Storage (Joule,2018,DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.027）

2、Progress in Materials Science: 基于聚氨酯納米復合材料的氣體阻隔膜、涂料、特性和潛在應用

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圖2?合成石墨烯及其衍生物的不同技術

聚氨酯是特殊和多用途的高分子材料，具有優異的柔韌性、彈性、良好的撕裂強度、良好的耐磨性和熱封性。憑借其可裁剪的特性，聚氨酯可應用于涂料、粘合劑、密封劑、泡沫、油漆、清漆和皮革等。然而，大多數這些聚合物不具有低溫柔韌性，耐氣候性，彎曲疲勞性，粘合性等性能，而且它們中的許多不能熱封。近日，來自印度理工學院的Mangala?Joshi（通訊作者）團隊研究了聚氨酯及其基于納米復合材料的氣體阻擋膜和涂層；討論了通過PU和PUNC的小氣體分子的可能運輸機制；研究了PU的基本化學性質和PU的結構和形態對其氣體阻隔性能的影響；重點介紹了通過聚合物納米復合材料預測氣體滲透性的各種模型；最后，文章特別關注了PUNC基薄膜和涂層的潛在工業應用。

文獻鏈接：Polyurethane nanocomposite based gas barrier films, membranes and coatings: A review on synthesis, characterization and potential applications(Prog. Mater. Sci.,2018,DOI: 10.1016/j.pmatsci.2018.05.001）

3、Advanced Materials: 生物集成光電器件的最新進展

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圖3?使用不同方法的柔性/可拉伸電子器件示例

發光二極管（LED）、激光器、太陽能電池和光電探測器等先進光電子器件已廣泛應用于能源、通信和醫療保健等領域。最近，定制光電子器件和生物系統的集成受到了重視，這些材料和器件不僅對生物界面處的光物質相互作用提供了基本影響，也為傳感、診斷和治療提供了新的機會。近日，來自清華大學盛興和香港中文大學Ni Zhao（共同通訊作者）等人總結了生物集成光電子平臺的核心材料技術，介紹了用于形成柔性和可拉伸形式的半導體材料和器件的設計和制造方法，討論了結合各種異質襯底、界面和密封劑的策略，強調了它們在仿生、可穿戴和可植入系統中的應用。

文獻鏈接：Recent Advances in Biointegrated Optoelectronic Devices (Adv.Mater.2018,DOI: 10.1002/adma.201800156）

4、Chemical Reviews：有機半導體共軛聚合物的固定方法

圖4?去溶解方法總結

有機場效應晶體管（OFET）、有機發光二極管（OLED）和有機光伏（OPV）電池等有機電子器件的功能和性能不僅取決于有機半導體的分子結構。而且與加工和形成的形態有關，無論是OLED還是OPV電池，重要的挑戰是有機層的連續沉積。近日，來自海德堡大學的Uwe H. F. Bunz（通訊作者）團隊介紹了通過去溶解策略獲得的不溶性聚合物有機半導體的合成路線和性質，介紹了不同的去溶解策略并討論了各種方法的優缺點。第一個應用是有機光伏電池中固定供體-受體本體異質結形態，電荷傳輸材料和發光二極管以及形態在場效應晶體管中的固定；第二個重要應用是有機半導體的結構化，將其用作光刻膠。

?文獻鏈接：Immobilization Strategies for Organic Semiconducting Conjugated Polymers (Chem. Rev.,2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00063）

5、Chemical Reviews：超級原子團簇——構建材料的潛力和設計原則

圖5?原子示意圖

在過去的40年中，由幾個到幾千個原子組成的原子團體作為納米粒子出現，其結構和性質一次可控制一個原子。這些研究不僅使人們對從集群到晶體的演化有了相當的了解，而且還揭示了許多不同尋常的尺寸特性，這使得集群科學本身成為一個跨學科領域，從而將物理學，化學，材料科學，生物學和醫學結合起來。近日，弗吉尼亞聯邦大學Puru Jena（通訊作者）等人重點關注了群集與相應批量分開設置的屬性，描述了不同的電子計數規則如何導致設計穩定的簇，模擬原子的化學性質，作者強調了用于能源應用的集群啟發材料，揭示了潛在的挑戰以及對集群科學未來的展望。

文獻鏈接：Super Atomic Clusters: Design Rules and Potential for Building Blocks of Materials (Chem. Rev.2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00524）

6、Chemical Reviews：非晶微孔聚合物的二氧化碳捕獲和分離

圖6??用于CO₂捕獲和分離的微孔材料示意圖

碳捕獲和封存技術是研究的重要領域之一，這其中就需要開發吸附過程和膜的新固體等內容。人們對可以改裝到二氧化碳點源的技術特別關注，包括發電廠和其他工業過程，這占到了美國排放的二氧化碳總量的約50％。除了發電廠之外，二氧化碳分離對于天然氣、沼氣升級和采油的應用非常重要。近日，來自佛羅里達大學的Coray M. Colina（通訊作者）等人重點描述了原子分子模擬的進展，以設計和評估無定形微孔聚合物材料用于CO₂捕集和分離。文章提供了原子分子模擬的描述，包括模擬技術、結構生成方法、弛豫和平衡方法以及驗證模擬樣品所需的考慮因素等。此外，作者還提供了一般的指導方針，以促進無定形微孔聚合物在二氧化碳捕集和分離過程中的發現和篩選。

文獻鏈接： Modeling Amorphous Microporous Polymers for CO₂ Capture and Separations (Chem. Rev.2018,DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00691）

7、Chemical Society Reviews：半固態&固態路易斯對催化劑

圖7 半固體和固體FLPs的化學過程示意圖

均相路易斯對由于它們對于小分子的活化所具有的潛力而引起了人們對無金屬催化劑的極大關注。對于許多先進的有機合成，自由基化學和聚合反應，人們已經廣泛探索了許多這些均相FLP。這些FLP可以有效地用于各種不飽和底物的氫化，受到這些均相催化體系實質性進展的啟發，非均相FLP催化劑（包括半固體催化劑和全固體催化劑）也成為一個不斷發展的領域。近日，來自西安交通大學的瞿永泉（通訊作者）等人重點介紹了在非均相FLP催化劑方面所取得的進展，以及在半固體和全固體FLP催化劑上構建可修飾的界面FLP樣活性位點的策略，還討論了合成化學中這些催化劑進一步發展所面臨的挑戰。

文獻鏈接： Semi-solid and solid frustrated Lewis pair catalysts (Chem.Soc.Rev.2018,DOI: 10.1039/C7CS00691H）

8、Chemical Society Reviews：納米設計的半導體，用于二氧化碳的電光催化轉化

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圖8?半導體納米催化劑用于電子和光電化學還原二氧化碳的重要進展

由于二氧化碳濃度逐漸增加導致的氣候危害，因此開發高效二氧化碳轉化的新型催化劑具有重大的研究意義。在各種類型的催化劑中，半導體已被廣泛用作電和光電二氧化碳轉化的有效候選者。最近，隨著新興的納米技術和先進的表征技術的出現，人們在基于半導體催化劑的高效和清潔的二氧化碳轉化方面取得了巨大成就。近日，天津大學鞏金龍（通訊作者）等人對該領域進行了系統的綜述，包括用于電化學和光電化學二氧化碳轉化的半導體催化劑的合理設計等。文章討論了二氧化碳反應路徑機理認識的發展和工業生產可行性的最新進展。此外，作者還概述了電-光催化CO₂轉化的挑戰和未來前景。

文獻鏈接：Nano-designed semiconductors for electro- and photoelectro-catalytic conversion of carbon dioxide (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C8CS00016F）

9、Chemical Society Reviews：采用多元金屬硫化物納米晶體的太陽能采光

圖9?半導體太陽能采光系統的基本類型

太陽能采光可以分為兩個并行的，有時是交織在一起的區域。 一個是實現人工光合作用的概念，即將廣泛豐富的化合物-水，N₂，CO₂等轉化為化學產物，然后再加以釋放，作為有價值的化學合成原料合成，太陽能可以直接作為驅動力用于化學物質的各種破壞性大的光催化轉化，例如分解空氣和水中各種持久性有機和無機污染物和有害生物。第二個領域是將太陽能光能轉化為太陽能電池中的電力。太陽能電池的主要成分是一種光吸收劑，它將光生電子和電子空穴-空穴提供給電路，從而導致光電流的產生。近日，來自烏克蘭國家科學院的Oleksandr Stroyuk（通訊作者）課題組綜述了多元金屬硫化物納米晶體的合成及其作為光吸收系統的光吸收或輔助組分的應用現狀。討論了多元金屬硫族化合物NCs的光吸收和光物理性質的一般方面，并對金屬硫族化合物NC-基太陽能光伏和光化學領域的最新進展提出了最有效的方法。

文獻鏈接：Solar light harvesting with multinary metal chalcogenide nanocrystals (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C8CS00029H）

10、Accounts of Chemical Research：硫醇鹽保護的金屬納米團簇完全合成

圖10?金屬NC的全合成路線圖

全合成是人類不斷努力一個主要的方向。它指的是一種理想的合成實踐，可以通過簡單易行的前體以原子精度生成所需的有機和/或生物分子。更重要的是，它具有沿著目標分子合成路線的逐步反應的已知化學特征。近日，來自新加坡國立大學的謝建平（通訊作者）等人討論了引入和開發原子級精確金屬納米團簇（NCs）的全合成路線和機制方面的最新進展。原子級精確的金屬NCs可以被視為“分子金屬”，可以在各種實際領域如生物醫學，能源，催化作用等領域中應用。金屬NCs的類分子性質受其尺寸和組成的敏感性影響，表明它們的完全合成是可靠實現其實際應用不可或缺的基礎。

文獻鏈接： Toward Total Synthesis of Thiolate-Protected Metal Nanoclusters (Acc. Chem. Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00065）

11、Accounts of Chemical Research：鈉-氧電池的最新進展：從化學視角觀察

圖11?各種組分對Na-O₂電池中產物組成和形態影響的示意圖

由于人類廣泛使用化石燃料而導致過去幾十年來地球溫度的升高，地球溫度上升可能會帶來一系列環境變化，包括氣候變化和海平面上升，進而危及地球上的文明。因此，以更可持續的能源替代化石燃料已被視為應對全球變暖危機的主要策略之一。開發插電式電動車輛（PEV）作為內燃機的替代品已經成為人們的廣泛追求，但是，目前可用的電池系統無法滿足能量存儲的需求。近日，來自西安大略大學的孫學良（通訊作者）等人總結了作為堿金屬-O₂族中的Na-O₂電池中所有組分的基礎化學的最新發現和遇到的挑戰。文章指出，Na-O₂電池表現出了獨特的電化學機理，其中，可用電解質溶劑的不穩定性被認為是最重要的挑戰，這會影響這種電池的循環性能。此外，人們對Na-O₂電池其他成分的研究更具爭議性，這主要是由于鈉及其氧化物的高化學反應性。

文獻鏈接：Recent Advances on Sodium–Oxygen Batteries: A Chemical Perspective (Acc. Chem. Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00139）

本文由材料人電子組楊超供稿，材料牛整理編輯。

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