材料前沿最新綜述精選(2018年7月第1周)

1、Advanced Functional Materials綜述: ZnS用作光電器件和催化劑的設計原理及工藝

圖1 ZnS設計原理示意圖

ZnS作為一種寬帶隙半導體，由于其優異的物理化學特性，包括極性表面，高透光率，良好的電子遷移率，電荷傳輸性能，熱穩定性等，因此在顯示技術，發光器件，傳感器，太陽能電池，生物設備等多種應用領域具有巨大潛力。近日，復旦大學的方曉生教授(通訊作者)等人概述了ZnS作為新型光電材料的設計原理和制備工藝。ZnS的最新進展使其能夠廣泛而有效地用于多種領域，包括透明導體，紫外光電探測器，發光器件和催化劑，基于ZnS的新型材料也涌現出新的功能器件。文章表述了對ZnS材料進展的科學見解，同時也對這個領域的未來機遇做出了展望。

文獻鏈接：Design Principles and Material Engineering of ZnS for Optoelectronic Devices and Catalysis (Adv. Funct. Mater., 2018，DOI：10.1002/adfm.201802029）

2、Advanced Materials綜述: 有機光伏材料研究進展

圖2 分子鏈結構示意圖

在過去三十年中，光伏器件有機半導體的發展收獲了意想不到的性能，從而可用于替代將陽光轉換為電的材料。新材料和開發概念提高了有機光伏器件的光電壓，同時也將光電轉換效率提高到13％以上。近日，來自瑞典林雪平大學的Olle Ingan?s (通訊作者)概述了有機光伏材料三十年來的研究進展。作者在文中研究了取代聚噻吩，報告了熱致變色以及場效應晶體管性能。聚噻吩在有機發光二極管（OLED）中發光的化學和結構設計的簡潔性使其成為獲得新功能的合適工具。聚噻吩可用于整個可見光范圍內的發射和吸收，以及紫外和近紅外的部分吸收。

文獻鏈接：Organic Photovoltaics over Three Decades (Adv. Mater. , 2018，DOI：10.1002/adma.201800388）

3、Advanced Energy Materials綜述: SOFC電極微結構的研究進展

圖3 原子結構示意圖

開發能夠在較低溫度下更好地發揮功能以滿足低成本制造的新型燃料電池陰極陽極材料引起了科學家們的廣泛關注。對于陽極，固體氧化物燃料電池（SOFC）能夠更為高效地利用普通燃料，避免高利用率下的結焦、硫中毒或抗氧化性。近日，來自圣安德魯斯大學的John T. S. Irvine和Paul A. Connor (共同通訊作者)等人概述了在考慮光譜和表面特性的前提下，通過浸漬法來優化電極材料的研究進展。此外，作者還回顧了近幾年科學們為優化陰極和陽極功能而做出的努力。最后作者探討了SOFC中浸漬法所面臨的挑戰和機遇。

文獻鏈接: Tailoring SOFC Electrode Microstructures for Improved Performance (Adv. Energy Mater. , 2018，DOI：10.1002/aenm.201800120）

4、Energy & Environmental Science綜述：電化學太陽能制氫技術的研究進展

圖4 太陽能制氫示意圖

近日，來自加州大學歐文分校的Shane Ardo、紐約大學的Miguel Modestino以及特文特大學的David Fernandez Rivas和Verena Schulze Greiving (共同通訊作者)等人概述了以光電化學或光伏驅動電解裝置和系統的形式進入市場的太陽能制氫技術。作者詳細介紹了設備和系統架構，經濟驅動因素，社會認知，政治影響，技術挑戰和研究機會等方面。在短期內，唯一合理的經濟選擇是將光伏驅動的電解系統用于小眾應用。從長遠來看，電化學太陽能制氫技術可以更廣泛地應用于能源市場，但需要技術的進步和成本的大幅降低。

文獻鏈接：Pathways to Electrochemical Solar-Hydrogen Technologies (Energy Environ. Sci. , 2018，DOI：10.1039/C7EE03639F）

5、Nature Communications綜述：高摻雜上轉換納米材料的研究進展

圖5 上轉換納米粒子中濃度猝滅示意圖

鑭系元素摻雜的上轉換納米顆粒（UCNPs）能夠將近紅外激發轉化為可見光和紫外發射。其獨特的光學特性已被應用到多種領域，如熒光顯微鏡，深部組織生物成像，納米醫學，光遺傳學，安全標記和體積顯示等。然而，濃度猝滅效應對上轉換發光的限制阻礙了大量摻雜劑UCNP的研發。近日，來自澳大利亞悉尼科技大學的金大勇教授、新加坡國立大學的劉小鋼教授和波蘭科學院的Artur Bednarkiewicz (共同通訊作者)等人概述了高度摻雜UCNPs的研究進展。文中作者重點介紹了避免濃度猝滅效應的方法，并討論了新的光學性質以及這些納米粒子所實現的新興應用。

文獻鏈接：Advances in highly doped upconversion nanoparticles (Nat. Commun. , 2018，DOI：10.1038/s41467-018-04813-5）

6、Nature Reviews Materials綜述：薄膜太陽能電池中的點缺陷工程

圖6 晶體結構和電子能帶結構示意圖

光伏材料中的缺陷控制工程對于研發高效太陽能電池和相關的光電器件尤為關鍵。在下一代太陽能應用中的許多種材料，包括金屬氧化物，硫族化合物和鹵化物，每種技術都可以從點缺陷工程中受益。近日，來自韓國延世大學的Aron Walsh (通訊作者)等人回顧了從Si基光伏到薄膜CdTe和Cu（In，Ga）Se2技術以及最新一代鹵化物鈣鈦礦和鋅黃鐵礦器件的點缺陷行為演變。作者討論了缺陷化學的化學鍵與太陽能電池中電荷載體的生成，捕獲和復合的光物理學原子過程。最后，文章概述了在復雜半導體材料中實現缺陷控制的一般原則。

文獻鏈接：Point defect engineering in thin- film solar cells (Nat. Rev. Mater. , 2018，DOI：10.1038/ s41578-018-0026-7）

7、Chemical Society Reviews綜述：絲基材料及生物納米技術器件

圖7 蠶絲微觀結構示意圖

絲綢是由蠶和蜘蛛紡制的天然纖維蛋白質聚合物。絲素蛋白可以從家蠶的繭中提取，并與其他生物材料協同結合形成生物聚合物。隨著重組DNA技術的發展，絲綢也可通過遺傳控制進行合理的設計和合成。絲蛋白可以在含水環境中加工成各種材料形式，包括薄膜，海綿，靜電紡墊和水凝膠。近日，來自美國塔夫斯大學的David L. Kaplan 和Fiorenzo G. Omenetto (共同通訊作者)等人系統地回顧了絲基材料在生物納米技術中應用的研究進展。作者重點介紹了在組織工程，可降解裝置和控釋系統領域的體外和體內應用的制造及功能化方法。

文獻鏈接：Silkworm silk-based materials and devices generated using bio-nanotechnology (Chem. Soc. Rev. , 2018，DOI：10.1039/C8CS00187A）

8、Chemical Society Reviews綜述：可穿戴技術的電化學儲能裝置——材料選擇和電池設計的基本原理

圖8 CNT和石墨烯膜集電器示意圖

可穿戴設備是一種需要能夠承受各種機械變形，同時發揮其預期功能的兼容能量存儲設備。這對電池的結構設計，材料選擇和小型化提出了更高的要求。迄今為止，其研究重點在于將形狀適型材料結合到可以佩戴在人體上的機械設計中。近日，來自A*STAR的Yun Zong和Zhaolin Liu以及新加坡南洋理工大學的張華 (共同通訊作者)等人重點介紹了已知耐磨電化學儲能器件的量化性能，以及它們在特定機械變形下的微尺寸性能，這些可用作該領域未來研究的基準。此外，作者還討論了可穿戴技術活性材料的單元設計方法和器件制造，并討論了可穿戴應用的電化學儲能裝置所面臨的挑戰和前景。

文獻鏈接：Electrochemical energy storage devices for wearable technology: a rationale for materials selection and cell design (Chem. Soc. Rev. , 2018，DOI：10.1039/C8CS00237A）

9、Chemical Reviews綜述：二維金屬納米材料的研究進展

圖9 樣品SEM照片

作為一個獨特的二維（2D）納米材料組，二維金屬納米材料由于其獨有的物理化學性質和廣泛的應用場景而引起越來越多的關注。近日，來自南洋理工大學的張華教授 (通訊作者)等人介紹了應用于二維金屬納米材料的一般合成方法，然后詳細描述了兩種類型的各種合成方法，即自底向上法和自頂向下法。此外，作者還詳細討論了二維金屬納米材料在催化，表面增強拉曼散射，傳感，生物成像，太陽能電池和光熱治療中的潛在應用。最后，提出了這個研究領域所面臨的挑戰和機遇。

文獻鏈接：Two-Dimensional Metal Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications (Chem. Rev. ,2018，DOI：10.1021/acs.chemrev.7b00727）

10、Accounts of Chemical Research綜述：用于催化水分解的先進納米材料

圖10 納米框和支化納米線陣列的受控轉化合成示意圖

近日，來自天津大學的張兵(通訊作者)等人回顧了固體無機-有機雜化材料作為前驅體并通過協同轉換策略轉化為無機功能納米材料的最新進展。文中作者討論的協同轉換策略分為有機組分去除和不同方法以重建無機組分，包括離子交換，界面反應，氧化還原反應和自組裝。此外，作者還總結了轉換產物在光電（電）/電催化水分解中的應用。固體無機-有機雜化材料的先進協同轉換策略將為納米材料的制備開創一條引人入勝的新途徑。

文獻鏈接：Synergetic Transformation of Solid Inorganic–Organic Hybrids into Advanced Nanomaterials for Catalytic Water Splittings(Acc. Chem. Res., 2018，DOI：10.1021/acs.accounts.8b00193）

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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