材料前沿最新综述精选(2017年8月第4周)
1. Adv.Energy Mater.综述：纳米结构钒氧化物及复合物在能量转换方面的最新进展
图1. VO2的两种晶体结构、能带结构及其典型的相变过程
钒元素在地球的存储量丰富，同时具有多种氧化态(Ⅱ-Ⅴ)及包括VO2，V2O5和V6O13在内的多种晶体结构。钒氧化物具有优异的分子/离子相互作用，催化活性以及强的电子-电子相关性，这些独特的化学、电子、光学性质使得钒氧化物在能源转换领域具有潜在的应用，研究人员们在最近几年也比较关注钒氧化物。澳大利亚莫纳什大学蒋绪川教授（通讯作者）等人发表的综述中介绍了纳米结构钒氧化物及其应用的最新进展，主要总结了纳米结构钒氧化物的合成方法和解决能源转换器件现有实际问题的主要成就。其中钒氧化物包括二氧化钒(VO2)，五氧化二钒(V2O5)等；钒氧化物在能源转换器件中的应用主要包括三种能量来源类型：化学能（锂离子电池、赝电容超级电容器和燃料电池），太阳能（光伏器件和光催化产氢）以及热能（热电发电）；文章最后对纳米结构钒氧化物在能源转换器件中的应用前景进行了展望。
原文链接：Recent Advances in Nanostructured Vanadium Oxides and Composites for Energy Conversion.( Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700885)
2.Adv. Energy Mater.综述：光催化的基本原则，不同的实现形式以及新兴的科学机会
图2. 天然光合作用示意图
太阳光是一种天然持续的地球能源，其可再生并且能量用之不竭，目前对于太阳能的利用有一系列技术，比如太阳能直接收集转化存储成热能形式，可以为房屋提供热量或者转化为电能使用。现在研究较多的是将太阳能收集存储用于光化学反应，其中光催化也是一种有效使用太阳光的方案。波士顿学院王敦伟教授（通讯作者）等人发表的综述中旨在对光催化领域提供一个全面的概览；文章深刻理解了自然光合作用为光催化提供的科学依据；介绍了目前四种类型光催化的具体内容，包括植物的光合作用、微藻类的光合作用、悬浮光催化和光电催化；同时详细的分析了一些简单的光催化剂，阐明了一个工作中光催化剂不同组分的不同功能，随后分析了综合的光催化系统；最后简单的讨论了人工光合酶并且对其进行了展望。
原文链接：Photocatalysis: Basic Principles, Diverse Forms of Implementations and Emerging Scientific Opportunities.( Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700841)
3.Adv. Mater.综述：将金属硫代磷酸盐和硒磷酸盐作为多功能范德华层状材料
图3. MTP复合物材料研究的软件分析结果
石墨烯的发现点燃了人们对二维材料的热情，二维片层、堆叠异质结和层状化合物薄膜等被认为是下一代的电子、化学和结构材料。二维材料的研究主要在于发现新的材料，利用和调控它们独特的电学和光学性质，二维电介质和半导体的研究推动了六方氮化硼，黑磷、过渡金属二硫化物的出现与发展，但是，优异的绝缘体材料的研究仍停滞不前。同时，二维材料显示出优异的超导电性、磁性和铁电性，这些性质显著地充实了功能二维材料，其中层状金属硫代（硒）磷酸盐类材料是一种稳定的具有宽带隙的半导体。橡树岭国家实验室的Petro Maksymovych和Michael A. Susner（共同通讯）等人发表的综述介绍了金属硫代（硒）磷酸盐（MTPs）类材料，金属阳离子用于稳定[P2S(Se)6]4−骨架形成层状材料，层与层之间靠范德华力连接。综述中依次介绍了MTPs的结构以及分类；MTPs化合物的合成，主要是单晶的合成；MTPs材料的功能，主要是铁电性和磁性等物理现象，文章同时也讨论了离子导电性和储氢性能等以及MTPs材料在器件制造过程中的实际问题；最后对MTPs二维材料的实际问题和理论研究进行了探讨。
原文链接：Metal Thio- and Selenophosphates as Multifunctional van der Waals Layered Materials.( Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201602852)
4.Chem. Rev.综述：柔性传感器和制动器——电子肌肉和皮肤
图4. 电子皮肤示意图和机器人学的发展时间线
为对人类皮肤的性能进行仿真，电子皮肤随着可穿戴电子器件的出现已经快速发展，同时研究者也在尝试模拟有机部分的感官功能，相关研究已经有所报道。未来的电子器件将继续趋向于可移动和可穿戴化，智能皮肤也将随着复杂生物传感器的发展日益增进。加州大学洛杉矶分校的裴启兵教授（通讯作者）等人发表的综述介绍了几类可以用于制造电子肌肉和电子皮肤的兼容性材料，不同类型的材料包括从兼容性导体、半导体到电介质，这些材料在下一代电子器件的发展中起着重要的作用。综述详细介绍了柔性和可伸缩性电子器件可用的新型材料最近取得的进展，以及优异性能材料的制备；除了兼容性材料外，综述还讨论了发展柔性传感器和制动器整合系统中这些材料的使用。
原文链接：Electronic Muscles and Skins: A Review of Soft Sensors and Actuators.( Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00019)
5.Chem. Soc. Rev.综述：析氢反应中的染料敏化光阴极
图5. 染料敏化光电催化器件配置及工作原理
氢气直接作为燃料合成化学气体或氨时具有比电池超出15倍、比石油超出3倍的能量密度，利用太阳光将水转化为氢气可以提供清洁燃料，但是全世界范围内至今仍然没有一种有效地方式可以大规模的直接将太阳能转化为氢气。纽卡斯尔大学的Elizabeth A. Gibson（通讯作者）在本篇综述中介绍了一种方法，发展了一种设备用于开发选择性的分子催化剂，但是同时可以避免牺牲施主电子的器件。其可以将施主电子吸附在电极表面，通过组装光阳极和光阴极，水氧化提供的电子用于将氢离子还原成为氢气。通过分离胶体半导体和分子组件之间的光吸收的功能、电荷传输和催化剂，使得每一个组分的活性达到最优化，但是该系统的复杂性使其在发挥最佳性能的同时必须具有先进的实验技术条件。综述还讨论了目前半导体、染料和催化剂之间界面控制电子转移的因素以及该邻域未来的方向和挑战。
原文链接：Dye-sensitized photocathodes for H2evolution.( Chem. Soc. Rev, 2017, DOI: 10.1039/c7cs00322f)
6.Chem. Soc. Rev.综述：超分子设计药物传递
图6. 超分子材料药物传递示意图
最近几年，超分子化学在改善医疗方面受到了许多关注，它扩充了药物传递方法的合理设计，通过利用特定的、动态的、可调控的非共价键相互作用力，可以实现设计药物传递。这种药物传递的方式可以确定的是能在分子水平上控制组分，改善合并目标药物的路线，是一种创造可以响应多种生理指示传递器件的新策略。一些可识别的超分子图案-大环主客复合物承担了药物传递的局部应用，超分子图案的使用可以更进一步控制材料对治疗药物的包装和释放，另外，大多数超分子图案由于疏水作用可以在水中传递药物。超分子作用的组合性也可以促进一个传递平台同时传递多种药物的机会。总之，超分子药物传递设计提供了一种简单的方法用于提高制药生产的精准度。美国圣母大学的Matthew J. Webber和麻省理工学院的Robert Langer（共同通讯）发表的综述中介绍了一些重要的超分子设计药物传递的策略，主要关注通过超分子图案设计药物传递系统，包括主客大环相互作用、自组装肽类、多价氢键图案、蛋白质衍生亲和相互作用和金属配体配位等。综述中讨论了设计这些系统分子水平上的细节，这些设计的优势以及其在医疗方面应用的前景。
原文链接：Drug delivery by supramolecular design.( Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00391a)
7.Chem. Soc. Rev.综述：CO2转换新策略——等离子体技术
图7. CO2转换为可再生能源的新工艺以及使用原则
如何将二氧化碳转换为增值的化学品是21世纪最大的挑战之一，由于传统的热能途径限制，需要发展一些新颖的技术，该领域最具有前景的方法就是等离子体技术。等离子体技术的优点包括温和的操作条件、容易扩大技术规模、通过能量转换使得提起活化而不是加热的方法。因此，一些热力学上很难发生的反应得以实现，比如二氧化碳溅射。比利时安特卫普大学的Ramses Snoeckx 和 Annemie Bogaerts（共同通讯）发表的综述中介绍了多种有效地转换二氧化碳的新颖技术，批判性的评估了等离子体技术是否是这个领域里最有效最成功的技术。综述对一些问题给予了解答，等离子体技术超越其他方法的绝对优势是什么，如果是这样的话，那么使用等离子体技术的问题在哪里？等离子体技术是可以独立成功使用的还是需要与其他技术相结合？
原文链接：Plasma technology – a novel solution for CO2conversion?( Chem. Soc. Rev., 2017, DOI:10.1039/c6cs00066e)
8.Chem. Soc. Rev.综述：时空水凝胶生物材料用于可再生药物
图8. 制备得到的可光降解和适应性强的水凝胶
水凝胶仿真物的许多物理性能类似于软组织，其已经广泛应用于组织工程和可再生药物的生物材料中，合成水凝胶的发展可以概括为天然组织的大部分健康状态或者不健全状态，其用于在试管内进一步研究细胞载体。然而，在试管环境下这些模型通常不能俘获动态和非均质性质，比如空间的变化和发展病变中的变化。为了解决这一缺陷，生物材料的设置过程开始应用各种各样的制备技术，在这些技术之中，光化学尤为合适，因为这些反应可以精确的在特定的时刻在三维空间内反应。这种时空控制化学反应也可以在细胞或组织环境中相关规模长度内反应，且反应无害高效。美国科罗拉多大学波德分校的 Kristi S. Anseth（通讯作者）等人发表的综述主要介绍了利用光化学反应制备动态水凝胶环境，以及这些水凝胶动态环境是如何用于调查和直接观察细胞行为。
原文链接：Spatiotemporal hydrogel biomaterials for regenerative medicine.( Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00445a)
9.Acc. Chem. Res.综述：先进电催化中的黄铁矿型纳米材料
图9. 综述TOC图
氢气经济由于可靠性和可承担性自出现起就受到了许多关注，但是其需要低成本高效的电催化剂材料来替代惰性金属（Pt，Ir，Ru）作为参比电极反应，比如析氧反应、析氢反应和氧还原反应。尽管人们在廉价的催化剂发展中已经取得不断地进步，但是仍待改善，最近研究发现纳米结构的矿产资源可以作为一种新型的先进能源材料，尤其是纳米结构黄铁矿。中国科学技术大学的俞书宏教授（通讯作者）等人最近发表的综述介绍了纳米结构黄铁矿型材料在电催化领域最近的新发现和应用取得的进展，第一次重点阐述了黄铁矿型材料有趣的特性以及这个类型的材料为什么能用于现代电催化。
原文链接：Pyrite-Type Nanomaterials for Advanced Electrocatalysis.( Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00187)
10.Acc. Chem. Res.综述：利用拓扑聚合物化学设计复杂的大分子图结构
图10. 拓扑聚合物化学设计复杂的大分子图结构
准确的拓扑结构设计一直以来是聚合物科学和聚合物材料工程有趣的挑战，一类多旋回拓扑聚合物结构包括spiro形、 bridged形和 fused 形式，不仅从拓扑几何学角度看是十分独特的，而且从生物化学角度也与设计褶皱结构相关。东京工业大学的Yasuyuki Tezuka（通讯作者）发表的综述中讨论了构建这一类大分子最新的进展，尤其是凭借静电自组装和共价固定（ESA-CF）作用构建的聚合物，作为一种通用的方法构建了复杂的聚合物，比如环形和多旋回形。
原文链接：Topological Polymer Chemistry Designing Complex Macromolecular Graph Constructions.( Acc. Chem. Res., 2017, DOI:10.1021/acs.accounts.7b00338)
11.Nat. Rev. Mater.综述：计算引导发现热电材料
图11. 真实结构和倒晶格结构的关系以及研究的多样性
热电材料潜在的先进性及其固态制冷发电功能是巨大的，至今为止，热电材料的进步仍受到化学空间和实验工作宽度和多样性的限制。美国国家可再生能源实验室的Prashun Gorai， Vladan Stevanovic´ 和 Eric S. Toberer（共同通讯）发表的综述讨论了最近计算的发展是如何改革我们预测电子声子传输和分散的能力的，还有材料的掺杂能力，人们通过检测有效的方法来计算跨越大型化学空间的重要传输特性。当加上实验的反馈，这些高通量方法可以刺激新型热电材料种类的发现，在较小的材料子集内，计算可以通过指导得到最佳的化学和结构裁剪，以此可以提高材料性能并且对底层传输物理提出深刻的理解。除了完美的材料，计算可用于结构的合理设计和化学修改(如缺陷、界面、掺杂剂和合金)，以对传输性能提供额外的控制用于优化性能。通过计算来预测的材料种类和设计材料，在热电材料发现邻域是一种新兴的方式。
原文链接：Computationally guided discovery of thermoelectric materials.( Nat. Rev. Mater. , 2017, doi:10.1038/natrevmats.2017.53)
本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 组Jane915126供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。
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