材料前沿最新綜述精選（2018年3月第1周）

1、Angewandte Chemie International Edition綜述：硅基電介質超材料合成的挑戰

圖1 硅球的SEM圖和偏振光的理論光譜

超材料具有彎曲，聚焦和完全反射，透射或吸收入射波陣面的能力。特別是光學活性超材料可用于3D信息存儲、光伏電池、高安全性水印和光纖等。硅顆粒是用于光學活性超材料最有前景的構件，具有高散射效率和對低頻率可見光的光吸收。然而，迄今為止，理想的硅構件不能使用大量合成技術來生產，限制了它的發展和應用。近日，法國科學院波爾多凝聚態材料化學研究所的Glenna L. Drisko和Cyril Aymonier（共同通訊作者）團隊討論了有關超材料硅的光學性質的理論背景，總結了目前常用的合成方法，并為超材料理想硅顆粒的發展路線提供了方向。

文獻鏈接：Silicon-Based Dielectric Metamaterials: Focus on the Current Synthetic Challenges (Angew. Chem. Int. Ed.,2018,DOI: 10.1002/anie.201709044）

2、Nano Energy綜述 : 石墨烯及其衍生物在太陽能電池方面的應用

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圖2?石墨烯及其衍生物用于太陽能電池應用的示意圖

在過去的二十年中，石墨烯已經與光伏材料的概念相融合，并在太陽能電池器件中扮演著透明電極、空穴/電子傳輸材料和界面緩沖層的重要角色。目前石墨烯基鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率超過20.3％，有機太陽能電池的效率也可達到10％。近日，來自全北國立大學的Yoon-Bong Hahn（通訊作者）團隊總結了石墨烯制備的不同方法，并廣泛討論了石墨烯基太陽能電池的最新進展，包括本體異質結，染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池。作者提出了石墨烯用于光伏應用的材料未來研究的潛在問題和前景。文章指出，盡管基于石墨烯的PV器件取得了重大進展，但未來需要考慮的挑戰仍很多，而解決這些挑戰可能會為產生更輕，環保和低成本高效益新一代的器件創造條件。

文獻鏈接：Graphene and its derivatives for solar cells application（Nano Energy,2018,DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.02.047）

3、Advanced Materials綜述: 用于柔性全固態超級電容器的納米碳材料

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圖3?用于柔性ASSSC的碳納米管的SEM圖及其性能圖

迄今為止，基于納米碳管的靈活ASSSCs已經取得了很大的成就，但這一前景的研究領域仍然面臨一些挑戰。1、所使用的凝膠電解質的離子傳導性和滲透性有限；?2、基于納米碳/贗電容復合電極的ASSSC的電容沒有大幅增加。近日，來自同濟大學的甘禮華和陳濤（共同通訊作者）等人總結了具有自充電功能或自供電功能的集成設備這一研究領域的相關進展，這可能會大大擴展ASSSC的實際應用領域。為了實現高性能集成器件，設計和開發能夠用作不同部件的高效電極成為必要。集成器件的配置會進一步優化，以使不同的功能部件單獨工作并相互匹配。最后，對于所有的ASSSCs及其涉及的綜合系統還應考慮和開發連續生產技術和大規模生產工藝。

文獻鏈接：Nanocarbon-Based Materials for Flexible All-Solid-State Supercapacitors(Adv.Mater.,2018,DOI: 10.1002/adma.201705489）

4、Advanced Functional Materials綜述： Li-S電池納米結構功能層/隔膜的合理設計

圖4?鋰硫電池裝置圖及其機理圖

鋰-硫電池由于其理論能量密度高，原料活性物質（硫）成本低以及環境友好而被認為是未來有希望的儲能裝置。另一方面，鋰-硫電池的實際應用仍然存在挑戰性問題，包括低硫利用率，可循環性差和倍率性能。雖然人們已經做出了相當大的努力來克服鋰-硫電池存在的障礙，但是還沒有達到鋰-硫電池商業化的要求。?近日，來自國立首爾大學的Chong Rae Park和仁荷大學Seung Jae Yang（共同通訊作者）團隊總結了基于新型配置的鋰-硫電池的最新進展，比如在制備新型陰極的方法之外加入功能性夾層/分隔層，并討論了配置在鋰-硫電池中的作用。通過新引入的功能性夾層/分離器的突出功能，以解決鋰-硫電池的問題。從功能分類出發，文中提出了合理設計高性能鋰-硫電池新型功能性夾層/隔膜的觀點和展望。

?文獻鏈接：Rational Design of Nanostructured Functional Interlayer/Separator for Advanced Li–S Batteries (Adv. Funct. Mater.,2018,DOI: 10.1002/adfm.201707411）

5、Energy & Environmental Science綜述：光伏領域石墨烯相關材料的復興

圖5 甲基銨陽離子結構示意圖

目前，基于石墨烯的技術被認為具有最大的應用潛力。石墨烯的電子和材料特性已在多種電子和光電子器件中探索出來，其中包括有機和金屬-鹵化物鈣鈦礦太陽能電池，另一方面，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池是最先進的光伏技術，其功率轉換效率呈指數級增長，最明顯的缺點是這些設備的穩定性限制了它們的實際應用和商業化。?近日，克里特技術教育研究所的Costantinos Petridis?、George Kakavelakis、Emmanuel Kymakis（共同通訊作者）等人回顧了自2013年以來石墨烯基金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在特定領域取得的進展，石墨烯和GRMs在這項技術中的開發的影響是多方面的，人們已經獲得了更高質量的鈣鈦礦晶體構建并制造了更穩定，靈活和高性能的器件。文章還提出了PSCs在不久的將來能夠應對的主要挑戰：1、進一步提高其光伏性能和穩定性；2、可控薄膜生長和沉積；3、可擴展性；4、毒性低；5、降低成本。

文獻鏈接：The renaissance of graphene-related materials in photovoltaics with the emergence of metal-halide perovskite solar cells (Energy Environ. Sci.,2018,DOI: 10.1039/C7EE03620E）

6、Chemical Society Reviews綜述：三維石墨烯材料向能源應用的可擴展化學氣相沉積生長

圖6?可擴展的CVD合成方法用于制備能源相關應用的3D石墨烯材料

由于具有高比表面積，快速電子傳輸和低密度，使用石墨烯結構單元集成的三維（3D）石墨烯材料對于能量相關應用具有很大的發展前景。這種3D石墨烯結構已成為構建下一代儲能和轉換設備（如超級電容器，電池和燃料電池）的理想平臺。近日，來自北京大學的劉忠范院士和張艷鋒（共同通訊作者）等人重點介紹了3D石墨烯材料（例如泡沫，殼和分層結構）的可擴展CVD增長的最新進展以及它們在能源相關領域的應用。首先，文章強調襯底形狀和成分（金屬或非金屬）在不同3D石墨烯的CVD生長中的作用。并對這些3D石墨烯材料的相關生長機制進行了分析和討論。其次，文章展示了CVD衍生的3D石墨烯材料在各種能源相關設備中的應用。最后，作者提出了CVD合成的挑戰和未來的發展機遇。

文獻鏈接：Scalable chemical-vapour-deposition growth of three-dimensional graphene materials towards energy-related applications (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00852J）

7、Chemical Society Reviews綜述：肽和蛋白質納米顆粒結合物：用于生物醫學應用的多功能平臺

圖7?多肽在確定NP功能和命運方面的重要作用

納米粒子（NPs）的使用為開發更有效，更安全，更具商業價值的生物醫學技術提供了新的機會。 無論是作為藥物遞送載體，高對比度顯像劑還是主動治療劑，納米顆粒都能夠為治療，診斷或生物醫學技術采取新的方法。近日，來自卡羅琳學院的Christopher D. Spicer和Molly M. Stevens（共同通訊作者）等人論述了肽和蛋白質在提高、控制和定義納米技術性能方面發揮的關鍵作用。作者提供了關鍵序列和結構的全面概述，并提出用于為納米構建提供生物和物理穩定性，將粒子引導至其靶標并影響其細胞和組織分布，誘導和控制生物反應，并形成多肽自身-組裝納米粒子的原理。作者最后強調了該領域取得的巨大進展和實現肽和蛋白質功能化的納米藥物遞送載體時仍面臨的挑戰。

文獻鏈接：Peptide and protein nanoparticle conjugates: versatile platforms for biomedical applications (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00877E）

8、Chemical Society Reviews綜述：離子交換層狀金屬氧化物的軟化學

圖8?選擇性分層氧化物的結構圖

近年來，軟化學反應工具箱已被用于合理設計和調整功能層狀過渡金屬氧化物的性質。逐層組裝和插層化學提供了對穩定氧化物支撐的納米粒子催化劑的共價相互作用的洞察。此外，人們也利用拓撲化學反應來調整層狀鈣鈦礦氧化物的組成以破壞反轉對稱性，從而導致壓電和鐵電性質的變化。近日，賓夕法尼亞州立大學的Thomas E. Mallouk（通訊作者）等人重點介紹了使用軟化學方法設計具有可調特性的功能性層狀過渡金屬氧化物。軟化學反應使得功能材料的設計可用于各種領域，包括人造光合作用、催化作用、儲能、燃料電池、光學傳感器、鐵電材料、k電介質等方面。另外作者對層狀氧化物領域出現的新的方向和挑戰進行了總結。首先，大多數過渡金屬氧化物的納米片是電子絕緣的；其次，軟化學反應主要是開發用于含早期過渡金屬的層狀氧化物；第三，該技術僅在少數專業實驗室中可用；最后，控制產生納米片的剝離技術缺乏均勻的尺寸和可控的形狀。

文獻鏈接：Soft chemistry of ion-exchangeable layered metal oxides (Chem.Soc.Rev.,2018,DOI: 10.1039/C7CS00290D）

9、Accounts of Chemical Research綜述：MXene---能量存儲器

圖9 MXene的結構、形貌和電子狀態

有效的電化學儲能（EES）裝置的開發是實現綠色電網的重要可持續性問題。特別是2011年發現的名為MXene的金屬碳化物/氮化物納米片是一類很有前途的插入贗電容器電極材料，因為它們用于材料研究的組成多樣性而被用于高電流充電的高電導率以及超快離子嵌入的堆疊納米片的分層結構。然而，由于對MXenes的電化學機理的理解有限，用于EES應用的MXenes的一般設計策略尚未建立。近日，來自東京大學的Atsuo Yamada（通訊作者）課題組論述了MXenes基本電化學性質的背景知識，并試圖闡明插層電容結束和嵌入贗電容開始的位置。含水電解質中的MXene電極表現出水合陽離子的嵌入。水合陽離子形成電雙層在層間空間中以在含水電解質的窄電位窗口內提供常規電容。當使用非水電解質時，溶劑化陽離子在充電初始階段插入層間空間，但由于層間空間內部的巨大內部電位差，被限制的溶劑化殼層應逐漸崩潰。在進一步充電時，去溶劑化離子完全插入，去溶劑化陽離子的原子軌道重疊MXene的軌道組成一個捐助團體。供體帶的形成誘導MXene的還原，可以通過從離子向MXene片材的電荷轉移產生插入偽電容。

文獻鏈接：MXene as a Charge Storage Host (Acc. Chem. Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00481）

10、Accounts of Chemical Research綜述：富勒烯籠的內外成鍵

圖10?金屬富勒烯的結構圖

富勒烯的亞納米腔可以容納多種金屬原子或金屬團簇，形成內面金屬富勒烯，為闡明金屬離子和碳原子之間的相互作用提供了理想的平臺，電動勢最明顯的特征之一是電荷從金屬轉移到籠，這對于所得到的雜化分子的穩定性乃至籠碳原子的化學反應性而言是至關重要的。近日，來自華中科技大學的盧興（通訊作者）等人討論了富勒烯籠內部和外部的結合，密閉空間中團簇的行為以及內部和外部之間的相互作用等話題。EMFs和富勒烯的形成機制仍然存在爭議。 識別具有相對較小或較大籠子的新結構應是有效的解決方案。此外，網箱內受限單元的外形操縱特別重要，因為這些結果可能產生革命性變化，例如信息存儲和量子計算。最后，文章指出對EMF化學的深入研究將在不久的將來為目標應用帶來巨大的衍生產品。?

文獻鏈接： Bonding inside and outside Fullerene Cages (Acc.Chem.Res.,2018,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00014）

本文由材料人電子組楊超供稿，材料牛整理編輯。

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