材料前沿最新綜述精選(2017年9月第1周)

 

　　1、Advanced Energy Materials綜述：用于電化學儲能裝置的三維碳納米纖維結構

 

 

 

　　圖1 CNF水凝膠和氣凝膠的宏量制備

 

　　高性能電化學儲能裝置的發展對于解決能源危機和環境污染至關重要。因此，下一代電極材料的設計和制備越來越受到重視。最近的進展已經證明，三維(3D)碳納米材料由于其獨特的互連結構而成為電化學儲能裝置電極有競爭力的候選者。近日，中國科學技術大學俞書宏教授(通訊作者)等人總結了基于3D碳納米纖維(CNF)材料的可擴展制造及其電化學能量存儲裝置應用的最新進展。介紹了關于包括超級電容器，鋰離子電池(LIBs)，鈉離子電池(SIBs)在內的各種應用，突出了一些代表性的3D CNF架構，例如CNF凝膠，3D CNF膜，3D CNF陣列及其納米復合材料，鋰-硫(Li-S)，鋰-硒(Li-Se)和金屬-O2電池，以及其他新的電池系統。最后，概述了3D CNF架構的可擴展制造中面臨的挑戰，并給出了對未來研究的展望。

 

　　文獻鏈接：Macroscopic-Scale Three-Dimensional Carbon Nanofiber Architectures for Electrochemical Energy Storage Devices(Adv.Energy Mater.,2017,DOI: 10.1002/aenm.201700826)

 

　　2、Advanced Energy Materials綜述：金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池材料理論研究的進展

 

 

　                                                             　　圖2 GGA計算總和及局部密度

 

　　鹵化鉛鈣鈦礦最近已經成為用于制造低成本和高效率薄膜太陽能電池的有希望的吸收劑。鹵化鉛鈣鈦礦型太陽能電池的記錄功率轉換效率從2009年的3.8%已經飛速上升至2016年初的22.1%。這歸功于鹵化鉛鈣鈦礦優越獨特的光伏特性，如在任何其他多晶薄膜太陽能電池材料中看不到的極高光吸收系數和超長的光生載流子壽命和擴散長度。近日，美國托萊多大學鄢炎發教授、Zewen Xiao(共同通訊)等人的綜述文章論述了已有文獻報道的鉛鹵化鈣鈣鈦礦材料的獨特結構，電子，光學和缺陷性能的重要理論成果。為了比較，文章還回顧了文獻中報道的一些無鉛鈣鈦礦，雙鈣鈦礦和非鈣鈦礦的理論結果。

 

　　文獻鏈接：Progress in Theoretical Study of Metal Halide Perovskite Solar Cell Materials(Adv.Energy Mater.,2017,DOI:10.1002/aenm.201701136)

 

　　3、Advanced Materials綜述:光伏和能量存儲系統的先進光子過程

 

 

 

 

　　圖3 光熱和光化學機理示意圖

 

　　通過光伏(PV)轉換獲取太陽能是可再生能源生產中最有前途的技術。同時，能源儲存(ES)系統的發展取得了重大進展，這些系統是能源生產，傳輸和使用周期中的重要組成部分。在商業應用方面，提高PV和ES系統的性能和競爭力需要采用與大規模和高通量生產線相兼容的精確但簡單且成本低廉的制造解決方案。光子過程通過光熱，光化學或光物理途徑實現了低成本高效益，高精度和可選擇性。特別地，基于激光的工藝可以獲取許多處理參數，這些處理參數可以以非常高的精度進行調整，從而實現傳統方法無法實現的處理路線。近日，克里特大學Emmanuel Stratakis(通訊作者)等人強調了先進的光驅方法，用于與PV和ES系統相關的材料和組件的制造以及合成。除了最近取得的成就外，還介紹了現有的局限性，并展望未來的可能性和新興前景。

 

　　文獻鏈接：Advanced Photonic Processes for Photovoltaic and Energy Storage Systems(Adv.Mater.,2017,DOI：DOI: 10.1002/adma.201700335)

 

　　4、Nature Communications綜述：原位透射電鏡透析可充電離子電池材料及挑戰

 

 

 

　　　圖4 通過原位TEM研究電池材料和各種電池的挑戰

 

　　在復雜的電化學環境下對材料行為的深入了解對于下一代可充電離子電池先進材料的開發至關重要。在各種原位表征技術到來之前，工作電池中的動態條件尚未被深入探索。電化學反應中原位透射電子顯微鏡是準確了解關于材料在電化學環境中行為最重要的突破之一。近日，阿貢國家實驗室Jun Lu和伊利諾伊大學芝加哥分校 Reza Shahbazian-Yassar(共同通訊)總結了通過原位透射電子顯微鏡實現的科學發現，并特別強調了該技術適用于解決可再充電離子電池電極，電解質及其界面中的關鍵挑戰。在包括鋰-氧，鋰-硫和鈉離子電池在內的新型電化學系統領域中原位透射電子顯微鏡的應用正在迅速增加。此外，基于鋰離子電化學和鈉離子電化學的系統比較也在其熱力學和動力學差異方面給出。本文為可再充電離子電池中的原位透射電子顯微鏡的未來方向提供了新的視角。

 

　　文獻鏈接：Understanding materials challenges for rechargeable ion batteries with in situ transmission electron microscopy(Nat.Commun.,2017,DOI：10.1038/ncomms15806)

 

　　5、Chemical Reviews綜述：生物界面結構對生物基納米材料的性質和應用的影響

 

 

　　

                                  　　圖5 M13絲狀噬菌體衣殼的結構

 

　　肽序列可以識別和結合不同的納米材料表面，從而篩選和鑒定能與多種金屬，金屬氧化物，礦物和聚合物底物結合的數百種肽。這些生物分子能夠以相對高的親和力結合材料，導致在生物和非生物成分之間產生復雜的生物界面。盡管材料結合序列的數量很大，但是目前的研究僅針對相對少量的序列。此外，在材料吸附狀態下確定這些肽的分子水平結構目前是非常具有挑戰性的。近日，迪肯大學Tiffany R. Walsh和邁阿密大學Marc R. Knecht(共同通訊)等人提供了肽序列應用的全面概述，并說明了通過闡明生物界面結構/性質關系，可以更廣泛地擴展這種肽介導的納米材料生長，組織和活化方法的多功能性。并闡述了實現這些目標的未來方向和面臨的巨大挑戰。

 

　　文獻鏈接：Biointerface Structural Effects on the Properties and Applications of Bioinspired Peptide-Based Nanomaterials(Chem. Rev.,2017,DOI:10.1021/acs.chemrev.7b00139)

 

　　6、Chemical Society Reviews綜述：用于基于介孔二氧化硅納米顆粒藥物遞送系統的 “阻止”和“開放”狀態

                                                　圖6 “阻止”和“開放”狀態的示意圖

　　常規的癌癥化療通常與毒性問題有關。因為新的藥物遞送系統(DDS)選擇性地靶向受影響的細胞，同時保護正常組織，因此，其被開發為替代品。其中，基于無創和生物相容性介孔二氧化硅納米顆粒(MSN)的DDS發展迅速。特別是在限制MSN毛孔入口的受控網可以實現特定藥物釋放和在輸送過程中避免過早泄漏時起著突出和至關重要的作用，而完美的“守門員”只能在特定的內部或外部刺激下被去除，例如pH，氧化還原電勢，溫度，生物分子，光，磁場和超聲，或這些刺激的組合，其對于精確的治療處理和在人體中的潛在應用是重要的。近日，西北農林科技大學孫世國、大連理工大學劉鳳玉(共同通訊)等人重點突出論述了各種可控MSN“守門員”的設計和實現“零早泄漏”藥物遞送的最新進展。不同的“守門員”根據其類型和特點分為以下幾種：(1)聚合物; (2)無機納米材料; (3)主客體聚合和(4)生物大分子。本文將為對納米材料制造，靶向藥物遞送和刺激反應性藥物釋放等有興趣的研究人員提供廣泛的機會。

 

　　文獻鏈接：Diverse gatekeepers for mesoporous silica nanoparticle based drug delivery systems(Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C7CS00219J)

 

　　7、Chemical Society Reviews綜述：染料敏化太陽能電池中的對電極

 

 

　　圖7 可持續發展方案

 

　　染料敏化太陽能電池(DSSCs)被視為下一代光伏技術的前瞻性太陽能電池，并已成為光伏領域的研究熱點。對電極作為DSSCs的關鍵部件，從外部電路收集電子，并催化電解質中的氧化還原反應，對光伏性能，器件的長期穩定性和成本具有重要的影響。近日，華僑大學吳季懷(通訊作者)等人介紹了太陽能電池，染料敏化太陽能電池，以及對電極的結構，原理，制備和表征。討論了基于透明度和柔性的對電極，金屬和合金，碳材料，導電聚合物，過渡金屬化合物和雜化物。并介紹了各種對電極的特點和性能，優缺點，制備，表征，機理以及發展歷史。

 

　　文獻鏈接：Counter electrodes in dye-sensitized solar cells(Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C6CS00752J)

 

　　8、Accounts of Chemical Research綜述：硼酸鹽親和材料的合成和應用：從類別選擇性到生物模擬特異性

 

 

　

　　圖8 硼酸和含順式二醇化合物之間的相互作用

 

　　由于生物系統和樣品的復雜性，某些生物分子的特異性捕獲和靶向在許多生物研究和應用中至關重要。含有順式二醇的生物分子，包括糖蛋白，糖類，核苷，核苷酸等重要化合物的大家族在生物系統中起到了重要作用。由于硼酸可以與順式二醇可逆地結合，因此，近年來硼酸鹽親和性材料(BAMs)越來越受到關注。然而，BAMs的現實應用往往受到三個瓶頸問題的嚴重阻礙，包括非相容性結合pH，弱親和力和在選擇性上的操縱難度。因此，解決這些問題和了解影響結合特性的因素具有重要意義。近日，南京大學劉震(通訊作者)等人總結了BAM的關鍵因素，以及印記和非印記BAMs之間的聯系。希望為BAMs的配體和支持材料的性質和結構提供基本理論，這可以促進BAM的開發和應用。此外，文章還簡要介紹了未來發展的挑戰和方向。

 

　　文獻鏈接：Synthesis and Applications of Boronate Affinity Materials: From Class Selectivity to Biomimetic Specificity(Acc. Chem. Res.,2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00179)

 

　　9、Accounts of Chemical Research綜述：利用大分子和納米化生物反應性MRI探針成功實現功能成像

 

 

　　圖9 在SCAs設計中使用的主要機制

 

　　分子成像，特別是磁共振成像(MRI)中對生物響應或智能造影劑(SCAs)的需求正在逐漸增加，因為它們允許以動態方式監測分子和細胞水平上的基本生物學過程。目前已經開發了各種機械方法和不同類型的SCAs，以便使用各種成像策略和方法來達到預期的可視化。迄今為止，最常用的探針是分別改變質子頻率的縱向或橫向松弛的順磁性分子，或所謂的T1和T2探針。近日，馬克斯普朗克生物控制論研究所Goran Angelovski(通訊作者)等人總結了該領域的最新進展，特別是專注于適合實際和體內利用的探針。此外，文章還討論了旨在開發適用于實際MRI應用的大分子納米SCAs的方法。這個激動人心領域的進一步發展得到了肯定，預期在不久的將來，探針制備及其在功能分子成像中的應用會取得顯著的成果。

 

　　文獻鏈接:Heading toward Macromolecular and Nanosized Bioresponsive MRI Probes for Successful Functional Imaging(Acc. Chem. Res.,2017,DOI：10.1021/acs.accounts.7b00203)