材料前沿最新綜述精選(2017年8月第4周)
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材料前沿最新綜述精選(2017年8月第4周)
原創 2017-08-30 Jane915126 材料人點擊上方“材料人” 即可訂閱我們
1. Adv.Energy Mater.綜述：納米結構釩氧化物及復合物在能量轉換方面的最新進展
圖1. VO2的兩種晶體結構、能帶結構及其典型的相變過程
釩元素在地球的存儲量豐富，同時具有多種氧化態(Ⅱ-Ⅴ)及包括VO2，V2O5和V6O13在內的多種晶體結構。釩氧化物具有優異的分子/離子相互作用，催化活性以及強的電子-電子相關性，這些獨特的化學、電子、光學性質使得釩氧化物在能源轉換領域具有潛在的應用，研究人員們在最近幾年也比較關注釩氧化物。澳大利亞莫納什大學蔣緒川教授(通訊作者)等人發表的綜述中介紹了納米結構釩氧化物及其應用的最新進展，主要總結了納米結構釩氧化物的合成方法和解決能源轉換器件現有實際問題的主要成就。其中釩氧化物包括二氧化釩(VO2)，五氧化二釩(V2O5)等;釩氧化物在能源轉換器件中的應用主要包括三種能量來源類型：化學能(鋰離子電池、贗電容超級電容器和燃料電池)，太陽能(光伏器件和光催化產氫)以及熱能(熱電發電);文章最后對納米結構釩氧化物在能源轉換器件中的應用前景進行了展望。
原文鏈接：Recent Advances in Nanostructured Vanadium Oxides and Composites for Energy Conversion.( Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700885)
2.Adv. Energy Mater.綜述：光催化的基本原則，不同的實現形式以及新興的科學機會
圖2. 天然光合作用示意圖
太陽光是一種天然持續的地球能源，其可再生并且能量用之不竭，目前對于太陽能的利用有一系列技術，比如太陽能直接收集轉化存儲成熱能形式，可以為房屋提供熱量或者轉化為電能使用。現在研究較多的是將太陽能收集存儲用于光化學反應，其中光催化也是一種有效使用太陽光的方案。波士頓學院王敦偉教授(通訊作者)等人發表的綜述中旨在對光催化領域提供一個全面的概覽;文章深刻理解了自然光合作用為光催化提供的科學依據;介紹了目前四種類型光催化的具體內容，包括植物的光合作用、微藻類的光合作用、懸浮光催化和光電催化;同時詳細的分析了一些簡單的光催化劑，闡明了一個工作中光催化劑不同組分的不同功能，隨后分析了綜合的光催化系統;最后簡單的討論了人工光合酶并且對其進行了展望。
原文鏈接：Photocatalysis: Basic Principles, Diverse Forms of Implementations and Emerging Scientific Opportunities.( Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700841)
3.Adv. Mater.綜述：將金屬硫代磷酸鹽和硒磷酸鹽作為多功能范德華層狀材料
圖3. MTP復合物材料研究的軟件分析結果
石墨烯的發現點燃了人們對二維材料的熱情，二維片層、堆疊異質結和層狀化合物薄膜等被認為是下一代的電子、化學和結構材料。二維材料的研究主要在于發現新的材料，利用和調控它們獨特的電學和光學性質，二維電介質和半導體的研究推動了六方氮化硼，黑磷、過渡金屬二硫化物的出現與發展，但是，優異的絕緣體材料的研究仍停滯不前。同時，二維材料顯示出優異的超導電性、磁性和鐵電性，這些性質顯著地充實了功能二維材料，其中層狀金屬硫代(硒)磷酸鹽類材料是一種穩定的具有寬帶隙的半導體。橡樹嶺國家實驗室的Petro Maksymovych和Michael A. Susner(共同通訊)等人發表的綜述介紹了金屬硫代(硒)磷酸鹽(MTPs)類材料，金屬陽離子用于穩定[P2S(Se)6]4−骨架形成層狀材料，層與層之間靠范德華力連接。綜述中依次介紹了MTPs的結構以及分類;MTPs化合物的合成，主要是單晶的合成;MTPs材料的功能，主要是鐵電性和磁性等物理現象，文章同時也討論了離子導電性和儲氫性能等以及MTPs材料在器件制造過程中的實際問題;最后對MTPs二維材料的實際問題和理論研究進行了探討。
原文鏈接：Metal Thio- and Selenophosphates as Multifunctional van der Waals Layered Materials.( Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201602852)
4.Chem. Rev.綜述：柔性傳感器和制動器——電子肌肉和皮膚
圖4. 電子皮膚示意圖和機器人學的發展時間線
為對人類皮膚的性能進行仿真，電子皮膚隨著可穿戴電子器件的出現已經快速發展，同時研究者也在嘗試模擬有機部分的感官功能，相關研究已經有所報道。未來的電子器件將繼續趨向于可移動和可穿戴化，智能皮膚也將隨著復雜生物傳感器的發展日益增進。加州大學洛杉磯分校的裴啟兵教授(通訊作者)等人發表的綜述介紹了幾類可以用于制造電子肌肉和電子皮膚的兼容性材料，不同類型的材料包括從兼容性導體、半導體到電介質，這些材料在下一代電子器件的發展中起著重要的作用。綜述詳細介紹了柔性和可伸縮性電子器件可用的新型材料最近取得的進展，以及優異性能材料的制備;除了兼容性材料外，綜述還討論了發展柔性傳感器和制動器整合系統中這些材料的使用。
原文鏈接：Electronic Muscles and Skins: A Review of Soft Sensors and Actuators.( Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00019)
5.Chem. Soc. Rev.綜述：析氫反應中的染料敏化光陰極
圖5. 染料敏化光電催化器件配置及工作原理
氫氣直接作為燃料合成化學氣體或氨時具有比電池超出15倍、比石油超出3倍的能量密度，利用太陽光將水轉化為氫氣可以提供清潔燃料，但是全世界范圍內至今仍然沒有一種有效地方式可以大規模的直接將太陽能轉化為氫氣。紐卡斯爾大學的Elizabeth A. Gibson(通訊作者)在本篇綜述中介紹了一種方法，發展了一種設備用于開發選擇性的分子催化劑，但是同時可以避免犧牲施主電子的器件。其可以將施主電子吸附在電極表面，通過組裝光陽極和光陰極，水氧化提供的電子用于將氫離子還原成為氫氣。通過分離膠體半導體和分子組件之間的光吸收的功能、電荷傳輸和催化劑，使得每一個組分的活性達到最優化，但是該系統的復雜性使其在發揮最佳性能的同時必須具有先進的實驗技術條件。綜述還討論了目前半導體、染料和催化劑之間界面控制電子轉移的因素以及該鄰域未來的方向和挑戰。
原文鏈接：Dye-sensitized photocathodes for H2 evolution. ( Chem. Soc. Rev, 2017, DOI: 10.1039/c7cs00322f)
6.Chem. Soc. Rev.綜述：超分子設計藥物傳遞
圖6. 超分子材料藥物傳遞示意圖
最近幾年，超分子化學在改善醫療方面受到了許多關注，它擴充了藥物傳遞方法的合理設計，通過利用特定的、動態的、可調控的非共價鍵相互作用力，可以實現設計藥物傳遞。這種藥物傳遞的方式可以確定的是能在分子水平上控制組分，改善合并目標藥物的路線，是一種創造可以響應多種生理指示傳遞器件的新策略。一些可識別的超分子圖案-大環主客復合物承擔了藥物傳遞的局部應用，超分子圖案的使用可以更進一步控制材料對治療藥物的包裝和釋放，另外，大多數超分子圖案由于疏水作用可以在水中傳遞藥物。超分子作用的組合性也可以促進一個傳遞平臺同時傳遞多種藥物的機會。總之，超分子藥物傳遞設計提供了一種簡單的方法用于提高制藥生產的精準度。美國圣母大學的Matthew J. Webber和麻省理工學院的Robert Langer(共同通訊)發表的綜述中介紹了一些重要的超分子設計藥物傳遞的策略，主要關注通過超分子圖案設計藥物傳遞系統，包括主客大環相互作用、自組裝肽類、多價氫鍵圖案、蛋白質衍生親和相互作用和金屬配體配位等。綜述中討論了設計這些系統分子水平上的細節，這些設計的優勢以及其在醫療方面應用的前景。
原文鏈接：Drug delivery by supramolecular design.( Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00391a)
圖7. CO2轉換為可再生能源的新工藝以及使用原則
如何將二氧化碳轉換為增值的化學品是21世紀最大的挑戰之一，由于傳統的熱能途徑限制，需要發展一些新穎的技術，該領域最具有前景的方法就是等離子體技術。等離子體技術的優點包括溫和的操作條件、容易擴大技術規模、通過能量轉換使得提起活化而不是加熱的方法。因此，一些熱力學上很難發生的反應得以實現，比如二氧化碳濺射。比利時安特衛普大學的Ramses Snoeckx 和 Annemie Bogaerts(共同通訊)發表的綜述中介紹了多種有效地轉換二氧化碳的新穎技術，批判性的評估了等離子體技術是否是這個領域里最有效最成功的技術。綜述對一些問題給予了解答，等離子體技術超越其他方法的絕對優勢是什么，如果是這樣的話，那么使用等離子體技術的問題在哪里?等離子體技術是可以獨立成功使用的還是需要與其他技術相結合?
原文鏈接：Plasma technology – a novel solution for CO2 conversion?( Chem. Soc. Rev., 2017, DOI:10.1039/c6cs00066e)
8.Chem. Soc. Rev.綜述：時空水凝膠生物材料用于可再生藥物
圖8. 制備得到的可光降解和適應性強的水凝膠
水凝膠仿真物的許多物理性能類似于軟組織，其已經廣泛應用于組織工程和可再生藥物的生物材料中，合成水凝膠的發展可以概括為天然組織的大部分健康狀態或者不健全狀態，其用于在試管內進一步研究細胞載體。然而，在試管環境下這些模型通常不能俘獲動態和非均質性質，比如空間的變化和發展病變中的變化。為了解決這一缺陷，生物材料的設置過程開始應用各種各樣的制備技術，在這些技術之中，光化學尤為合適，因為這些反應可以精確的在特定的時刻在三維空間內反應。這種時空控制化學反應也可以在細胞或組織環境中相關規模長度內反應，且反應無害高效。美國科羅拉多大學波德分校的 Kristi S. Anseth(通訊作者)等人發表的綜述主要介紹了利用光化學反應制備動態水凝膠環境，以及這些水凝膠動態環境是如何用于調查和直接觀察細胞行為。
原文鏈接：Spatiotemporal hydrogel biomaterials for regenerative medicine. ( Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00445a)
9.Acc. Chem. Res.綜述：先進電催化中的黃鐵礦型納米材料
圖9. 綜述TOC圖
氫氣經濟由于可靠性和可承擔性自出現起就受到了許多關注，但是其需要低成本高效的電催化劑材料來替代惰性金屬(Pt，Ir，Ru)作為參比電極反應，比如析氧反應、析氫反應和氧還原反應。盡管人們在廉價的催化劑發展中已經取得不斷地進步，但是仍待改善，最近研究發現納米結構的礦產資源可以作為一種新型的先進能源材料，尤其是納米結構黃鐵礦。中國科學技術大學的俞書宏教授(通訊作者)等人最近發表的綜述介紹了納米結構黃鐵礦型材料在電催化領域最近的新發現和應用取得的進展，第一次重點闡述了黃鐵礦型材料有趣的特性以及這個類型的材料為什么能用于現代電催化。
原文鏈接：Pyrite-Type Nanomaterials for Advanced Electrocatalysis.( Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00187)
10.Acc. Chem. Res.綜述：利用拓撲聚合物化學設計復雜的大分子圖結構
圖10. 拓撲聚合物化學設計復雜的大分子圖結構
準確的拓撲結構設計一直以來是聚合物科學和聚合物材料工程有趣的挑戰，一類多旋回拓撲聚合物結構包括spiro形、 bridged形和 fused 形式，不僅從拓撲幾何學角度看是十分獨特的，而且從生物化學角度也與設計褶皺結構相關。東京工業大學的Yasuyuki Tezuka(通訊作者)發表的綜述中討論了構建這一類大分子最新的進展，尤其是憑借靜電自組裝和共價固定(ESA-CF)作用構建的聚合物，作為一種通用的方法構建了復雜的聚合物，比如環形和多旋回形。
原文鏈接：Topological Polymer Chemistry Designing Complex Macromolecular Graph Constructions.( Acc. Chem. Res., 2017, DOI:10.1021/acs.accounts.7b00338)
11.Nat. Rev. Mater.綜述：計算引導發現熱電材料
圖11. 真實結構和倒晶格結構的關系以及研究的多樣性
熱電材料潛在的先進性及其固態制冷發電功能是巨大的，至今為止，熱電材料的進步仍受到化學空間和實驗工作寬度和多樣性的限制。美國國家可再生能源實驗室的Prashun Gorai， Vladan Stevanovic´ 和 Eric S. Toberer(共同通訊)發表的綜述討論了最近計算的發展是如何改革我們預測電子聲子傳輸和分散的能力的，還有材料的摻雜能力，人們通過檢測有效的方法來計算跨越大型化學空間的重要傳輸特性。當加上實驗的反饋，這些高通量方法可以刺激新型熱電材料種類的發現，在較小的材料子集內，計算可以通過指導得到最佳的化學和結構裁剪，以此可以提高材料性能并且對底層傳輸物理提出深刻的理解。除了完美的材料，計算可用于結構的合理設計和化學修改(如缺陷、界面、摻雜劑和合金)，以對傳輸性能提供額外的控制用于優化性能。通過計算來預測的材料種類和設計材料，在熱電材料發現鄰域是一種新興的方式。