材料前沿最新综述精选（2018年7月第3周）

1. Advanced Materials: 碳纳米管和石墨烯在锂离子和锂硫电池中的调控作用

图1. a )锂电池示意图。b )锂电池所涉及的能级的说明

随着社会对高能量密度电池需求的不断增长，为便携式电子设备供电，以及推进车辆电气化和电网储能，已经将锂电池技术推向了极其重要的位置。碳纳米管( CNTs )和石墨烯( graphene )具有许多吸引人的特性，为改善锂离子( Li - ion )和锂硫( Li - S )电池的性能，人们进行了深入研究。然而，人们对它们在锂离子电池和锂电池中的实际作用缺乏普遍和客观的了解。人们认识到，CNTs和石墨烯不是合适的活性锂存储材料，而是更像一种调节剂：它们不与锂离子和电子发生电化学反应，而是用于调节特定电活性材料的锂存储行为，并增加锂电池的应用范围。中科院金属研究所的李峰研究员和成会明院士（共同通讯）等人就本文首先讨论了锂电池的评价指标，在此基础上，从基本电化学反应到电极结构和整体电池设计，综合考虑了碳纳米管和石墨烯在锂离子电池和Li - S电池中的调控作用。最后，展望了碳纳米管和石墨烯如何进一步促进锂电池的发展。

文献链接：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: 金属有机骨架衍生材料:能量转换与储存的进展与展望

图2. 通过金属离子和配体反应形成MOF，并通过后处理转化为多孔纳米或微结构的示意图

探索高效耐用的新材料是可持续能源转换和储存系统领域的主要要求。在过去三十年中，科研人员已经开发了许多技术来提高催化剂体系的效率，控制颗粒的组成、结构、表面积、孔径以及形态。在这方面，金属有机骨架( MOF )衍生的催化剂作为具有可调性质和活性的能量转换和存储的最佳材料而出现。近年来，金属氧化物、硫族化物、磷化物、氮化物、碳化物、合金、碳材料或它们的复合物等若干纳米或微结构被探索用于电化学能量转换，如析氧、析氢、氧还原或电池材料。从实际应用来看，人们对高效储能系统的兴趣也越来越大。尽管对MOF和MOF衍生材料的合成和应用有多种综述，但它们在电化学能量转换和存储中的应用是一个全新的研究领域，并且是近年来发展起来的。韩国汉阳大学的Ungyu Paik（通讯作者）等人在本文中着重介绍了MOF材料的系统设计和对其固有性能的控制，用以提高电化学性能。

文献链接：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: 利用碳酸盐效应和Z - Scheme反应光催化分解太阳能制氢

图3. a )粉末光催化剂和b )光阳极系统中水分解成H₂和O₂的反应机理

开发太阳能转换和储存的创新技术，对解决全球变暖问题和建立可持续社会具有重要意义。利用半导体粉末的光催化分解水反应作为一种有前途的直接而且简单的太阳能转换技术，已经得到了广泛的研究。然而，化学计量比( H₂/O₂= 2 )的H₂和O₂气体的逸出由于各种问题而非常困难，例如不利的反向反应和不匹配的带势。两个重要的发现拓宽了可用的光催化剂的种类，即:碳酸盐阴离子效应和使用氧化还原介质的Z - scheme光催化反应。研究人员已经发现碳酸氢根阴离子通过优先的过氧化物形成和随后分解成O₂而充当氧化还原催化剂。由于使用氧化还原介质的Z - scheme反应减轻了带势失配，因此它广泛适用于各种可见光光催化剂。日本产业技术综合研究所的Kazuhiro Sayama（通讯作者）等人在本文中主要综述了利用碳酸根阴离子效应和Z - scheme反应制备太阳能氢的光催化分解水的研究进展。此外，还综述了光催化-电解混合体系(一种先进的Z - scheme反应概念)在实际和经济制氢方面的最新进展。

文献链接：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: 用于柔性和神经形态计算的新型电子器件

图4. ILLO的原理和剥离机理

从可穿戴的衣服到内脏，可以连接到各种表面的新兴种类的柔性电子系统推动了通信 (例如，物联网、增强现实)和临床研究的显著进步，改变了今天的个人计算模式。“塑料上的系统”领域正处于向超认知社会创新突破的边缘，它与当前备受关注的神经形态应用相融合，可以提供个性化反馈治疗和自主驾驶等智能外围是什么意思 。韩国先进科学研究所的Keon Jae Lee（通讯作者）等人从器件结构、材料、制造工艺和潜在的研究领域着笔，综述了柔性和神经形态技术领域的代表性进展和前言。

文献链接：Novel Electronics for Flexible and Neuromorphic Computing(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201801690)

5. Advanced Energy Materials: 可充电钠离子电池先进电极材料的探索

图5. 层状材料Na_0.8Ni_0.4Ti_0.6O₂中镍和钛的两个氧化还原对的对称SIB设计示意图

随着锂离子电池(LIB)市场的快速增长，人们对有限的锂资源产生了担忧，可充电钠离子电池(SIBs)由于钠的大量存在而在电能存储领域受到越来越多的关注。与成熟的商业LIBs相比，SIB系统的所有组件，如电极、电解质、粘合剂和隔膜，在达到实际工业应用水平之前需要进一步探索。借鉴LIB研究成果，SIB电极材料正得到广泛研究，近年来取得了巨大进展。南京大学的郭少华和周豪慎（共同通讯）等人综述了SIBs电极材料的研究进展。提出并系统地研究了各种用于SIBs的新型电极材料，包括具有层状或隧道结构的过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和有机分子。展示了几种具有中等能量密度和超长循环性能的有希望的材料。开发适当的掺杂和/或表面处理方法可以有效地促进电化学性能。文章还概述了在实际应用中开发令人满意的SIB电极材料的挑战和机遇。

文献链接：Exploration of Advanced Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800212)

6. Chemical Society Reviews: 二维层状过渡金属二硫族化物中缺陷和掺杂物的原子结构

图6.二维MoS₂球棍模型

层状过渡金属二硫族化物(TMDs)提供了单层2D系统，其具有超出石墨烯单层所能实现的不同性质。TMDs的性质受到原子结构的严重影响，特别是结晶度的不完善，表现为空位缺陷、晶界、裂纹、杂质掺杂剂、波纹和边缘终端。牛津大学的Jamie H. Warner（通讯作者）等人通过本文总结了一些最深入研究的2D TMDs的详细结构形式，例如MoS₂, WSe₂, MoTe₂, WTe₂, NbSe₂, PtSe₂，还将涵盖MXenes。同时该综述将利用最新的球差校正透射电子显微镜(包括环形暗场扫描透射电子显微镜(ADF - STEM)和电子能量损失光谱(EELS) ）所获得的结果，展示如何实现元素辨别，以深入理解结构。综述还将涉及单原子取代掺杂剂如Cr、V和Mn的影响，以及用于理解局部键合构型的电子能量损失谱。预计这一综述将提供2D TMDs的原子水平理解，与化学气相沉积合成、有意掺杂、撕裂、位错、应变、多晶化和限制纳米带所产生的缺陷有关。

文献链接：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: 电化学沉积:模板合成纳米多孔金属结构的先进方法

图7. 采用软硬模板法电沉积制备纳米多孔金属基材料

昆士兰大学的Jeonghun Kim和Yusuke Yamauchi（共同通讯）等人近日综述了通过使用硬模板(即多孔二氧化硅、聚合物和二氧化硅胶体的3D模板)和软模板(即溶致液晶、聚合物胶束)的电化学沉积方法设计的纳米多孔金属领域取得的显著进展。此外，作者指出它是如何精确控制晶体生长的，并描述这些新材料的独特物理和化学性质。到目前为止，作者团队已经报道了通过电化学沉积在各种条件下合成多种纳米多孔金属和合金的成果(例如Cu、Ru、Rh、Pd、Pt、Au及其相应的合金)，同时研究了它们的各种潜在应用。通过选择合适的表面活性剂或嵌段共聚物，可以容易地控制通道结构、组成和纳米孔的取向。最终产物的固有性质，例如骨架结晶度、催化活性和抗氧化性，取决于组成和孔结构，这又需要合适的电化学条件。这一叙述分为三个主要部分: ( I )使用硬模板和软模板的电化学沉积的历史，( ii )纳米多孔材料制备所涉及的重要机制的描述，以及( iii )结论和未来展望。作者相信，这一综述将促进对使用电化学沉积方法合成纳米多孔金属的更深入理解，从而使控制纳米多孔结构和优化其性能的新路径朝着有希望的应用方向发展，例如催化、能量存储、传感器等。

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

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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