2017年7月材料前沿综述精选
本文精选了2017年7月材料前沿综述，主要内容包括“二次电池中的安全金属锂负极”、“极端温度下锂离子电池材料”、“用于光伏器件的杂化钙钛矿的物理性能”、“石墨烯表面的物理和化学”、“用于CO2捕捉，再生和转化的金属有机骨架的化学”、“纳米多孔材料基因组的计算开发”等等。
1、Chemical Reviews综述：二次电池中安全金属锂负极评述
金属锂负极以其十倍于传统石墨负极的理论容量 (3860 mA h g-1, 石墨负极: 372 mA h g-1) 和最负的电势 (-3.045V)，成为电池储能界的“圣杯”。当金属锂负极与高能量密度的硫(理论能量密度: 2600 Wh kg-1)和氧气正极(理论能量密度5210 Wh kg-1)耦合使用时，有望进一步提高手机的待机时间和电动汽车的续航里程。目前限制金属锂负极应用的主要问题是充电过程中的枝晶生长。从根本上理解金属锂枝晶的形核和沉积行为对于早日实现金属锂电池的安全性意义重大。近日清华大学张强（通讯作者）研究团队通过该论文系统阐述了金属锂负极的工作原理和技术挑战、固态电解质界面膜的形成机理和结构特性、金属锂的形核和生长机理、枝晶生长的数值模拟、金属锂枝晶生长的抑制策略、全电池中的应用等，对于理解金属锂的沉积行为和寻找抑制金属锂负极的枝晶生长具有重要意义。
文献链接：Toward Safe Lithium Metal Anode in Rechargeable Batteries: A Review(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00115)
2、Nature Energy综述：极端温度下锂离子电池材料综述
随着能源储存需求的不断增加，这就要求电池能够在各种极端条件下工作。锂离子电池作为新一代储能技术，虽然已经被广泛研究和应用，却几乎只能在室温环境中工作。因为其运行过程中内部会产生较大的热波动，这也是近期消费类产品中许多电池爆炸的原因。虽然解决这些问题的传统方法侧重于热管理策略，但是在低（< 20℃）和高（> 60℃）温度下锂离子电池的性能和安全性与其内部组分相关，例如电极、电解质材料以及固体-电解质界面。美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan（通讯作者）等人在综述中从材料的角度出发介绍了锂离子电池耐热性的最新进展，跨越温宽-60℃~150℃。比较了正极的结构稳定性，负极钝化的问题以及各种电解质、粘结剂和集电器的性能。这些电池组件提供的潜能可以扩展商业锂离子电池的环境前沿。
文献链接：A materials perspective on Li-ion batteries at extreme temperatures（Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/nenergy.2017.108)
3、Nature Reviews Materials综述：低带隙共轭聚合物实现溶液可加工串联太阳能电池
聚合物基有机光伏（OPV）电池技术在过去十年中取得了长足的进步，光电转换效率从仅仅几个百分点提高到12％左右，稳定性从几小时增加到几年。在这一进展中，里程碑之一是发明了红外吸收低带隙聚合物，使得OPV电池形成用于从太阳光谱收集近红外光的有效串联结构。美国加州大学洛杉矶分校的李刚和杨阳（共同通讯作者）等人在综述中详细介绍了低带隙共轭聚合物和由这些低带隙聚合物制成串联OPV电池的进展。具体涵盖了基于聚合物的串联太阳能电池，将聚合物与氢化非晶硅结合的混合串联太阳能电池和非常规太阳能电池。并进一步提出了这些技术的挑战以及对未来发展的看法。
文献链接：Low-bandgap conjugated polymers enabling solution-processable tandem solar cells（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.43）
4、Nature Reviews Materials综述：用于光伏器件的杂化钙钛矿的物理性能
在过去的几十年间，研究人员一直致力于寻找可自清洁、可再生、成本低的新型光伏材料。有机无机杂化钙钛矿（OIHPs）由于具有原材料丰富、成本低、可低温批量合成、转换效率高等优点，在光伏器件研究领域受到广泛关注。但OIHPs中含重金属Pb、湿热稳定性差等缺点极大地阻碍了它的商业化应用。尽管科学家在这些问题上做了很多努力，但收获却很小。此外，在材料的设计方面仍没有明确的设计规则，因此，对杂化钙钛矿材料的深入理解对于提高钙钛矿太阳能电池的性能和下一代光伏材料的发展至关重要。美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松（通讯作者）等人在综述中总结了开路电压亏损较小、效率较高的三维和低维OIHPs物理性能的最新研究进展，主要包括物理缺陷、铁电性、激子分离过程、载流子复合寿命和光子循环。此外，文章批判性的评估了离子迁移对太阳能电池的效率和稳定性的影响，并讨论了OIHPs走向商业化应用存在的一些挑战。
文献链接：Understanding the physical propertiesof hybrid perovskites for photovoltaicapplications（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.42）
5、Chemical Reviews综述：尖晶石：可控合成，氧还原/析氧反应
AB2O4（其中A和B是金属离子）式尖晶石的磁性、光学、电和催化性质在数据存储、生物技术、电子学、激光、传感器、转化反应和能量存储/转换等应用中起着重要作用，这在很大程度上取决于它们的精确结构和组成。南开大学的陈军教授（通讯作者）等人在综述中总结了各种可控合成的尖晶石及其在氧还原/析出反应（ORR/OER）和其他方面的应用。文章首先介绍了尖晶石的组成和结构。然后总结了固、液、气相方法制备尖晶石的最新进展，并特别强调了新方法。尖晶石的组成、结构、形态、缺陷和基质的物化特性已经通过各种方法得到合理调节，这种调节可以产生具有改良ORR/OER催化活性的尖晶石，可以进一步加速燃料电池、金属空气电池和水分解装置的速度，延长寿命并缩小极化。最后文章讨论了OER/ORR以外的磁性、光学、电学和催化应用。尖晶石的未来应用被认为与环境和能源问题密切相关。
文献链接：Spinels: Controlled Preparation, Oxygen Reduction/Evolution Reaction Application, and Beyond（Chem. Rev.,2017,DIO:10.1021/acs.chemrev.7b00051）
6、Chemical Society Reviews综述：石墨烯表面物理和化学
石墨烯作为一种具有二维单原子层结构和独特性能的材料，因其优异的力学、电学、热学和光学性能，在诸多领域展现出潜在的应用价值。在实际应用中，石墨烯总要与衬底接触形成表面和界面，这些表界面的结构特征、相互作用强度、缺陷等物理化学性质会显著影响石墨烯的形貌和属性，进而影响石墨烯器件的性能。深入理解石墨烯与衬底之间的界面物理化学对于石墨烯性质的调控、器件的优化设计具有重要意义。清华大学朱宏伟教授、韩国蔚山科学技术研究所Rodney S. Ruoff教授、香港中文大学许建斌教授（共同通讯作者）等人在综述中系统总结了典型的石墨烯表界面结构，分析了石墨烯与不同表面的相互作用及其性能对表界面的依赖性，在此基础上总结了石墨烯在光电器件、表面催化、摩擦润滑、涂层与复合材料等方面的潜在应用。
文献链接：The physics and chemistry of graphene-on-surfaces（Chem. Soc. Rev.,2017,DIO:10.1039/C7CS00256D）
7、Chemical Society Reviews综述：石墨烯基二维异质结构的合成、结构和应用
随着二维（2D）材料的大量发现及其合成、处理方法的改进，近年来2D异质结构领域越来越受到关注。这种异质结构不仅克服了每种材料的固有限制，而且适当的组合能实现新特性。石墨烯的物理和机械性质意味着它在二维异质结构领域具有突出的地位。日本九州大学的Hiroki Ago教授（通讯作者）等人在综述中讨论了石墨烯基二维异质结构的合成和应用进展。除了其他2D材料的堆叠和平面异质结构及潜在应用之外，还涵盖了较低维度材料实现的异质结构，以及异质结构嵌入几层石墨烯中的特殊情况。最后回顾了使用液相剥离技术生产石墨烯异质结构及其在能量储存中的应用。
文献链接：Synthesis, structure and applications of graphene-based 2D heterostructures（Chem. Soc. Rev., 2017, DIO:10.1039/C7CS00160F）
8、Chemical Reviews综述：二维层状过渡金属硫化物的外延生长：生长机理，可控性和可扩展性
近年来，在二维（2D）材料中，包括石墨烯、氮化硼（h-BN）、黑磷（BPs）和过渡金属硫化物（TMDCs）的研究取得了许多突破。2D材料独特的电、光、热性能与其严格限定的低维度相关。这些材料为下一代电子产品提供了广泛的基础构件。化学气相沉积（CVD）技术非常有希望制得具有可扩展尺寸，可控厚度和优异电子特性的高品质TMDC层，并适用于技术应用和基础科学。通过化学方法精确设计2D材料的能力可能引发新应用。深圳大学的时玉萌教授和阿卜杜拉国王滚球体育 大学的Lain-Jong Li（共同通讯作者）等人在综述中通过CVD方法介绍了TMDC合成的最新发展，并阐述了对原子薄度TMDC的可控可靠合成的进一步见解。了解二维TMDCs的气相生长机制有益于形成复杂的异质结构和新的人造2D晶格。
文献链接：Epitaxial Growth of Two-Dimensional Layered Transition-Metal Dichalcogenides: Growth Mechanism, Controllability, and Scalability（Chem. Rev., 2017, DIO:10.1021/acs.chemrev.7b00212）
9、Nature Reviews Materials综述：用于CO2捕捉，再生和转化的金属有机骨架的化学
二氧化碳挑战是地球面临的最紧迫的问题之一。碳循环的每个阶段（捕获，再生和转化）都有自己的材料要求。最近关于金属有机骨架（MOFs）的工作表明了这些材料在应对这一挑战的潜力和有效性。美国加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi教授（通讯作者）等人在综述中确定了MOFs的具体结构和化学性质及由此导致的最高的捕捉能力，最有效的分离和再生过程以及最有效的催化转化。MOFs的内部可以精确地设计协调不饱和金属位点，特定杂原子，共价功能化，其他构建单元相互作用，疏水性，孔隙率，缺陷和嵌入纳米级金属催化剂，这对于开发具有更高性能的MOFs材料至关重要。为了获得全面的解决方案，有必要使用MOF化学的精度构建更复杂的材料，以便在一种材料中一起处理选择性、容量和转换问题。
文献链接：The chemistry of metal-organic frameworks for CO2capture, regeneration and conversion（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.45）
10、Chemical Reviews综述：纳米颗粒基免疫化学生物传感器和测定：最新进展和挑战
中欧技术研究所的Petr Skládal（通讯作者）等人回顾了近五年来免疫化学生物传感器（免疫传感器）结合纳米颗粒提高灵敏度的研究进展。初始部分介绍抗体作为经典识别元件。光学感测部分介绍荧光，发光和表面等离子体共振系统。电流分析法、伏安法和阻抗谱表征电化学传感器方法，电化学发光结合光电转换是广泛运用的组合方式。转换选项可与适当的纳米颗粒一起使用，如金属和金属氧化物，包括磁性纳米颗粒，碳基纳米管，石墨烯变体，荧光碳点，纳米晶体作为量子点，以及光子上转换粒子。最后总结了临床分析（标志物、肿瘤细胞和药物）在环境和食品领域检测病原微生物、有毒物质和农药的应用。
文献链接：Nanoparticle-Based Immunochemical Biosensors and Assays: Recent Advances and Challenges（Chem. Rev.,2017,DIO:10.1021/acs.chemrev.7b00037）
11、Nature Reviews Materials综述：纳米多孔材料基因组的计算开发
目前材料研究正在推动大数据和数据挖掘，以加速研究进程。沸石，金属-有机骨架和其他相关的结晶多孔材料对这种现象是无法免疫的。在过去的十年中，多孔结构数据库和计算气体吸附筛选研究证明了这一点。确定最佳材料用于各种气体分离和存储应用，不仅带来了数千种合成结构，而且还促进了构建假想材料算法的发展。与这些算法组合的材料数据库包含着比已经合成的孔结构更广泛复杂的多孔结构。科研人员发现只有一小部分可实现的结构，并且在这些结构上扩展，将加速合理设计的进程。瑞士洛桑联邦理工学院的Berend Smit（通讯作者）等人在综述中强调了开发这些数据库的方法，以及大规模计算筛选研究的一些重要成果。
文献链接：Computational development of the nanoporous materials genome（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.37）
本文由材料人编辑部学术组deer供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。
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