材料前沿最新綜述精選（2017年12月第2周）

1. Advanced Materials: 極性彈性體作為機電致動器應用的新材料

電介質彈性體執行器是可伸展的電容器，可以在充電時進行類似肌肉的驅動。如果驅動電壓可以降至24伏以下，它們將能夠用來替換出現故障的肌肉。瑞士聯邦材料科學與技術實驗室的Dorina M. Opris教授（通訊作者）在本文中綜述了極性電介質彈性體及其在電場下的行為。重點放在了與分子結構相關的所有特征，合成，以及它對屬性的影響上。就聚合物類而言，在某種程度上，焦點是聚硅氧化合物，因為它們具有很吸引人的低玻璃轉變溫度。這使得在維持軟彈性特性的同時，可以將強極化的種群引入到主干中。

圖1. 機器人手臂

文獻連接：Polar Elastomers as Novel Materials for Electromechanical Actuator Applications?(Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201703678)

2.Advanced Materials:木基納米技術的可持續性應用

除了可持續性、可再生和可生物降解的特點外，木材及其衍生物在材料方面也極具吸引力，其優點包括多孔結構、層次結構、優異的機械性能和多用途的化學特性。在此基礎上，來自馬里蘭大學帕克校區的胡良兵、羅偉和Amy Gong教授（共同通訊）等人總結了采用先進的納米技術來設計新穎的木質材料的策略，包括從高度結晶的納米板結構中可控制的自下向上組裝，以及直接從木材中獲得的更高效的自頂向下方法。除了材料設計,作者也提出了關于這些優質的木質材料可持續應用的最新進展，研究關注的領域為傳統上由人為的不可再生材料，如塑料、玻璃和金屬轉移到更高級的應用領域如能源存儲、污水處理和光誘導海水淡化等。此外，作者介紹了近年來材料設計和可持續應用的最新進展，提出了基于木質材料的未來工程技術，用以促進持續健康的發展，實現真正的可持續性。

圖2. 樹的層次結構圖顯示了宏觀-納米尺度的尺寸，以及它們通過可持續性納米技術的先進應用

文獻連接：Wood-Based Nanotechnologies toward Sustainability?(Adv. Mater., 2017, DOI:?10.1002/adma.201703453)

3.Advanced Energy Materials：磷和黑磷在能量轉換和儲存設備中的應用

在2014年，研究人員成功地分離了磷(原子層厚度的黑磷)，目前已經引起了2D材料研究者的興趣。最近，來自萊布尼茨固態材料研究所Mark H. Rummeli教授（通訊作者）等人首先簡要介紹了磷和黑磷的基本原理，以及它們的結構、性質和合成方法。其次，作者對它們的能源應用進行了概述，尤其是在電化學能量儲存領域。相比石墨烯，層間距大(0.53 nm)的磷烯允許較大離子的插入/脫出。因此，磷可能具有較高的電化學性能。此外，作者綜述了鋰離子電池和二次鈉離子電池的現狀。接下來，作者將每一個用于能源生成、轉換和存儲的應用都詳細地進行了描述。這些新興的應用包括超級電容器、光電器件、水裂解、光催化氫化、產氧和熱電發電機。最后，作者綜述了快速增長的磷研究動態領域，并預期了未來的可能性，并對化學家、物理學家和材料科學家的努力進行了展望。

圖3. 磷化物及其重要化合物和轉化反應

文獻鏈接：Applications of Phosphorene and Black Phosphorus in Energy Conversion and Storage Devices (Adv. Energy. Mater., 2017, DOI:?10.1002/aenm.201702093)

4.Chemical Society Reviews：從理論到實驗的二維VA半導體的最新進展

磷烯是一種新型的二維材料，由于其具有直接帶隙、高的載流子遷移率、負的泊松分布比例和獨特的平面各向異性，因此受到了研究者相當大的關注。作為磷烯的表親，2D——VA半導體由于其有趣的結構和迷人的電子特性，也引起了研究者極大的興趣。2D——VA成員們為它們的多功能應用提供了全新的機會，包括電子、光電子、拓撲自旋電子學、熱電、傳感器、鋰——鈉電池。來自南京理工大學的曾海波教授和馬德里自治大學的Félix Zamora教授（共同通訊）廣泛探討了二維群-VA材料的基本性質、制造和應用方面的最新理論和實驗進展，并為這一新興領域的未來提供了展望和挑戰。

圖4. 2D——VA家庭

文獻鏈接：Recent progress in 2D group-VA semiconductors: from theory to experiment?(Chem. Soc. Rev., 2018,?DOI: 10.1039/C7CS00125H)

5.Chemical Society Reviews：銠卟啉配合物的合成和應用

在過去的50年里，有機過渡金屬復合物的合成是一個很吸引人的研究課題。在這些研究中，由于其直接的合成和獨特的反應，銠卟啉復合物被證明是有可研究價值的。實際上，這些復合物負責一些具有高度影響力的有機化合物的轉變，包括罕見的C-H和C-C鍵的激活。銠卟啉的復雜性和選擇性在催化轉化領域很具有前景，其對燃料電池應用的選擇性一氧化碳減少有特殊作用。來自芝加哥大學的董廣斌(通訊作者）教授重點介紹銠卟啉的歷史和現代合成，以及它們各自對小分子的反應。討論將局限于由4個甲基部組成的4個吡咯環組成的銠卟環。

圖5. 銠卟啉結構示意圖

文獻連接：Synthesis and applications of rhodium porphyrin complexes?(Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C7CS00582B)

6.Accounts of Chemical Research: 用于能源儲存的復雜納米材料的設計:過去的成功和未來的機會

下一代鋰離子充電電池的具有能量密度高，成本低，安全性提高的優點，其對便攜式電子設備、電動汽車和電網規模能源存儲技術具有深遠技術意義。特別的，先進的鋰電池化學反應要求將高Li的電極轉換為基于轉換或合金化機制的電極，增加的容量常常伴隨著劇烈的體積變化，顯著的鍵斷裂，有限的電子/離子導電性，以及不穩定的電/電解液的相互作用。

幸運的是，過去十年納米技術的快速發展為電池研究人員提供了有效的方法來解決下一代電池化學反應的一些最緊迫的問題。 在電池中，納米技術的主要應用可以概括為:首先，通過減少電極材料的尺寸，可以克服材料在鋰離子上的開裂閾值，同時促進電極內的電子/離子傳輸。 其次，納米技術還提供了一種強大的方法，可以在電極材料上生成各種表面涂層和功能化層，從而保護電池環境中的側面反應。最后，納米技術賦予人們在電池(分離器、電流收集器等)中每一個組件的靈活性，從而給電池帶來了無法通過傳統方法實現的新功能。

因此，該項目旨在突出納米技術在先進電池系統中的關鍵作用。來自斯坦福大學的崔屹教授（通訊作者）在本文中將主要評估硅材料和鋰金屬陽極復雜性的代表性例子，其在限制它們的大體積變化和循環過程中重復的固態電解質的相互作用方面有很大的潛力。值得注意的是，作者討論了在團隊小組中開發了11代材料設計的硅陽極的逐步改進的路線圖，以反映出納米技術是如何一步步地引導電池研究走向實際應用的。隨后，作者總結了構建納米結構復合硫陰極的努力，提高了電子導電率和有效的可溶性物種封裝，以最大限度地利用活性材料、循環壽命和系統效率。作者強調以碳為基礎的材料，重要的是，用極表面的材料來進行硫的附著。隨后作者簡單地討論了納米材料的策略，通過結合高表面面積，以及重要的高-比-比相填充劑，來提高固體聚合物電解質的離子導電性，這是一種連續的低彎曲的離子傳輸途徑。最后，文章簡要回顧了納米技術在網格尺度能量存儲和電池安全領域的重要創新。

圖6. 納米材料在電池領域的應用

文獻鏈接：Design of Complex Nanomaterials for Energy Storage: Past Success and Future Opportunity?(Acc. Chem. Res., 2017, DOI:?10.1021/acs.accounts.7b00450)

7.Accounts of Chemical Research: 矩陣濺射法:可用于光致發光貴金屬納米簇的新型物理方法

貴金屬納米簇被認為是單個金屬原子之間的過渡，它表現出獨特的光學特性和金屬納米粒子，這些納米粒子具有典型的等離子體吸光度。當粒子的尺寸低于2納米時，這些材料的有趣特性就會顯現出來，比如光致發光，這在生物醫學領域尤其具有應用前景。這些光致發光的超星系團通常是由化學還原產生的，因為這種方法所使用試劑的內在毒性，所以限制了它們的實際應用。因此，尋找替代策略，特別是在物理方法方面，即所謂的“綠色替代品”，以生產高純度的高純度材料就十分必要了。最近，研究人員開發了一種利用濺射技術的新方法。這種方法最初被用于制作固體基質薄膜;現在，只要這些液體具有低蒸氣壓，它就可以應用在液體基板上，如離子液體或聚乙二醇。這一革命性的發展開創了新的研究領域，特別是在10納米以下的膠體納米粒子的合成上。來自北海道大學的Tetsu Yonezawa教授（通訊作者）首次將濺射技術應用于光致發光貴金屬納米簇物理合成。

雖然典型的濺射系統依賴于液體基質的表面組成和黏度，但它只產生了直徑為3-10納米的等離子體顆粒，作者從化學方法中得到了啟發，將硫醇分子作為穩定劑。在金屬納米粒子的化學合成中，控制金屬離子與穩定試劑的濃度比是一種可能的系統尺寸控制方法。然而，目前尚不清楚這是否適用于濺射系統。最新研究結果表明，能夠以一般的方式制備各種光致發光的Au、Ag和Cu的光致發光納米簇，通過矩陣濺射法，結合電磁-、中性和陰離子-硫醇的誘導，納米簇在溶液和固體形態中都表現出了穩定的釋放。最重要的是，作者通過濺射揭示了這些獨特的光致發光納米簇的形成機制，與用化學方法制備的典型光致發光的納米聚簇相比，它的直徑相對較大(ca.1-3納米)。作者認為，在這里提出的濺射系統的高可調性對于創建新的光致發光納米簇是一種對常用化學方法的補充策略，其具有重要的優勢。這篇報道突出了作者通過濺射方法來了解光致發光貴金屬納米團簇的光物理性質和形成機制，這是一種新的策略，將對金屬納米粒子和納米粒子的科學認識產生廣泛的影響。

圖7. 濺射技術應用于光致發光貴金屬納米簇

文獻鏈接：Matrix Sputtering Method: A Novel Physical Approach for Photoluminescent Noble Metal Nanoclusters (Acc. Chem. Res.,2017, DOI:?10.1021/acs.accounts.7b00470)

8.Chemical Reviews：表面等離子驅動熱電子光化學

可見光驅動的光化學一直吸引著越來越多的關注，因為它有能力有效地收集太陽能，并有解決全球能源危機的潛力。等離子體納米結構擁有廣泛可調的光學特性，外加催化活性表面，為太陽能光化學提供了一個獨特的機會。表面等離子體共振光激發會產生高能熱電子，可以收集用來促進化學反應。最近，來自佛羅里達大學的Wei David Wei教授（通訊作者）綜述了近年來熱電子產生的基礎光物理過程的理論和實驗方法，討論了等離子體金屬納米結構和等離子體金屬/半導體異質結構的各種電子轉移模型。列舉了最近的兩個等離子體驅動的熱電子光化學反應的實例。最后，作者討論了在熱電子誘導的光化學中處理低反應效率的問題，并討論了該領域中的挑戰和未來機遇。

圖8. 等離子體電子轉移模型

文獻鏈接：Surface-Plasmon-Driven Hot Electron Photochemistry?(Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00430)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！