材料前沿最新綜述精選（2018年7月第3周）

1. Advanced Materials: 碳納米管和石墨烯在鋰離子和鋰硫電池中的調控作用

圖1. a )鋰電池示意圖。b )鋰電池所涉及的能級的說明

隨著社會對高能量密度電池需求的不斷增長，為便攜式電子設備供電，以及推進車輛電氣化和電網儲能，已經將鋰電池技術推向了極其重要的位置。碳納米管( CNTs )和石墨烯( graphene )具有許多吸引人的特性，為改善鋰離子( Li - ion )和鋰硫( Li - S )電池的性能，人們進行了深入研究。然而，人們對它們在鋰離子電池和鋰電池中的實際作用缺乏普遍和客觀的了解。人們認識到，CNTs和石墨烯不是合適的活性鋰存儲材料，而是更像一種調節劑：它們不與鋰離子和電子發生電化學反應，而是用于調節特定電活性材料的鋰存儲行為，并增加鋰電池的應用范圍。中科院金屬研究所的李峰研究員和成會明院士（共同通訊）等人就本文首先討論了鋰電池的評價指標，在此基礎上，從基本電化學反應到電極結構和整體電池設計，綜合考慮了碳納米管和石墨烯在鋰離子電池和Li - S電池中的調控作用。最后，展望了碳納米管和石墨烯如何進一步促進鋰電池的發展。

文獻鏈接：The Regulating Role of Carbon Nanotubes and Graphene in Lithium–Ion and Lithium–Sulfur Batteries(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800863)

2. Advanced Materials: 金屬有機骨架衍生材料:能量轉換與儲存的進展與展望

圖2. 通過金屬離子和配體反應形成MOF，并通過后處理轉化為多孔納米或微結構的示意圖

探索高效耐用的新材料是可持續能源轉換和儲存系統領域的主要要求。在過去三十年中，科研人員已經開發了許多技術來提高催化劑體系的效率，控制顆粒的組成、結構、表面積、孔徑以及形態。在這方面，金屬有機骨架( MOF )衍生的催化劑作為具有可調性質和活性的能量轉換和存儲的最佳材料而出現。近年來，金屬氧化物、硫族化物、磷化物、氮化物、碳化物、合金、碳材料或它們的復合物等若干納米或微結構被探索用于電化學能量轉換，如析氧、析氫、氧還原或電池材料。從實際應用來看，人們對高效儲能系統的興趣也越來越大。盡管對MOF和MOF衍生材料的合成和應用有多種綜述，但它們在電化學能量轉換和存儲中的應用是一個全新的研究領域，并且是近年來發展起來的。韓國漢陽大學的Ungyu Paik（通訊作者）等人在本文中著重介紹了MOF材料的系統設計和對其固有性能的控制，用以提高電化學性能。

文獻鏈接：Metal Organic Framework Derived Materials: Progress and Prospects for the Energy Conversion and Storage(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705146)

3.Advanced Energy Materials: 利用碳酸鹽效應和Z - Scheme反應光催化分解太陽能制氫

圖3. a )粉末光催化劑和b )光陽極系統中水分解成H₂和O₂的反應機理

開發太陽能轉換和儲存的創新技術，對解決全球變暖問題和建立可持續社會具有重要意義。利用半導體粉末的光催化分解水反應作為一種有前途的直接而且簡單的太陽能轉換技術，已經得到了廣泛的研究。然而，化學計量比( H₂/O₂ = 2 )的H₂和O₂氣體的逸出由于各種問題而非常困難，例如不利的反向反應和不匹配的帶勢。兩個重要的發現拓寬了可用的光催化劑的種類，即:碳酸鹽陰離子效應和使用氧化還原介質的Z - scheme光催化反應。研究人員已經發現碳酸氫根陰離子通過優先的過氧化物形成和隨后分解成O₂而充當氧化還原催化劑。由于使用氧化還原介質的Z - scheme反應減輕了帶勢失配，因此它廣泛適用于各種可見光光催化劑。日本產業技術綜合研究所的Kazuhiro Sayama （通訊作者）等人在本文中主要綜述了利用碳酸根陰離子效應和Z - scheme反應制備太陽能氫的光催化分解水的研究進展。此外，還綜述了光催化-電解混合體系(一種先進的Z - scheme反應概念)在實際和經濟制氫方面的最新進展。

文獻鏈接：Photocatalytic Water Splitting for Solar Hydrogen Production Using the Carbonate Effect and the Z-Scheme Reaction(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801294)

4. Advanced Functional Materials: 用于柔性和神經形態計算的新型電子器件

圖4. ILLO的原理和剝離機理

從可穿戴的衣服到內臟，可以連接到各種表面的新興種類的柔性電子系統推動了通信 (例如，物聯網、增強現實)和臨床研究的顯著進步，改變了今天的個人計算模式。“塑料上的系統”領域正處于向超認知社會創新突破的邊緣，它與當前備受關注的神經形態應用相融合，可以提供個性化反饋治療和自主駕駛等智能服務。韓國先進科學研究所的Keon Jae Lee（通訊作者）等人從器件結構、材料、制造工藝和潛在的研究領域著筆，綜述了柔性和神經形態技術領域的代表性進展和前言。

文獻鏈接：Novel Electronics for Flexible and Neuromorphic Computing(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201801690)

5. Advanced Energy Materials: 可充電鈉離子電池先進電極材料的探索

圖5. ?層狀材料Na_0.8Ni_0.4Ti_0.6O₂中鎳和鈦的兩個氧化還原對的對稱SIB設計示意圖

隨著鋰離子電池(LIB)市場的快速增長，人們對有限的鋰資源產生了擔憂，可充電鈉離子電池(SIBs)由于鈉的大量存在而在電能存儲領域受到越來越多的關注。與成熟的商業LIBs相比，SIB系統的所有組件，如電極、電解質、粘合劑和隔膜，在達到實際工業應用水平之前需要進一步探索。借鑒LIB研究成果，SIB電極材料正得到廣泛研究，近年來取得了巨大進展。南京大學的郭少華和周豪慎（共同通訊）等人綜述了SIBs電極材料的研究進展。提出并系統地研究了各種用于SIBs的新型電極材料，包括具有層狀或隧道結構的過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和有機分子。展示了幾種具有中等能量密度和超長循環性能的有希望的材料。開發適當的摻雜和/或表面處理方法可以有效地促進電化學性能。文章還概述了在實際應用中開發令人滿意的SIB電極材料的挑戰和機遇。

文獻鏈接：Exploration of Advanced Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries?(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800212)

6.?Chemical Society Reviews: 二維層狀過渡金屬二硫族化物中缺陷和摻雜物的原子結構

圖6.二維MoS₂球棍模型

層狀過渡金屬二硫族化物(TMDs)提供了單層2D系統，其具有超出石墨烯單層所能實現的不同性質。TMDs的性質受到原子結構的嚴重影響，特別是結晶度的不完善，表現為空位缺陷、晶界、裂紋、雜質摻雜劑、波紋和邊緣終端。牛津大學的Jamie H. Warner（通訊作者）等人通過本文總結了一些最深入研究的2D TMDs的詳細結構形式，例如MoS₂, WSe₂, MoTe₂, WTe₂, NbSe₂, PtSe₂，還將涵蓋MXenes。同時該綜述將利用最新的球差校正透射電子顯微鏡(包括環形暗場掃描透射電子顯微鏡(ADF - STEM)和電子能量損失光譜(EELS) ）所獲得的結果，展示如何實現元素辨別，以深入理解結構。綜述還將涉及單原子取代摻雜劑如Cr、V和Mn的影響，以及用于理解局部鍵合構型的電子能量損失譜。預計這一綜述將提供2D TMDs的原子水平理解，與化學氣相沉積合成、有意摻雜、撕裂、位錯、應變、多晶化和限制納米帶所產生的缺陷有關。

文獻鏈接：Atomic structure of defects and dopants in 2D layered transition metal dichalcogenides(Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C8CS00236C)

7. Accounts of Chemical Research: 電化學沉積:模板合成納米多孔金屬結構的先進方法

圖7. 采用軟硬模板法電沉積制備納米多孔金屬基材料

昆士蘭大學的Jeonghun Kim和Yusuke Yamauchi（共同通訊）等人近日綜述了通過使用硬模板(即多孔二氧化硅、聚合物和二氧化硅膠體的3D模板)和軟模板(即溶致液晶、聚合物膠束)的電化學沉積方法設計的納米多孔金屬領域取得的顯著進展。此外，作者指出它是如何精確控制晶體生長的，并描述這些新材料的獨特物理和化學性質。到目前為止，作者團隊已經報道了通過電化學沉積在各種條件下合成多種納米多孔金屬和合金的成果(例如Cu、Ru、Rh、Pd、Pt、Au及其相應的合金)，同時研究了它們的各種潛在應用。通過選擇合適的表面活性劑或嵌段共聚物，可以容易地控制通道結構、組成和納米孔的取向。最終產物的固有性質，例如骨架結晶度、催化活性和抗氧化性，取決于組成和孔結構，這又需要合適的電化學條件。這一敘述分為三個主要部分: ( I )使用硬模板和軟模板的電化學沉積的歷史，( ii )納米多孔材料制備所涉及的重要機制的描述，以及( iii )結論和未來展望。作者相信，這一綜述將促進對使用電化學沉積方法合成納米多孔金屬的更深入理解，從而使控制納米多孔結構和優化其性能的新路徑朝著有希望的應用方向發展，例如催化、能量存儲、傳感器等。

文獻鏈接：Electrochemical Deposition: An Advanced Approach for Templated Synthesis of Nanoporous Metal Architectures(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00119)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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