材料前沿最新綜述精選(2018年1月第1周)

 

　　

 

 

 

　　圖1 MOF衍生的多孔碳催化劑的合成示意圖

 

　　目前，開發(fā)用于取代燃料電池中Pt基電催化劑的非貴金屬催化劑已經(jīng)成為熱門話題，因為燃料電池中的氧化還原反應(ORR)通常需要貴金屬鉑作為催化劑， 這是燃料電池商業(yè)化的主要障礙之一。近日，北京化工大學曹達鵬教授(通訊作者)團隊系統(tǒng)地綜述了MOF衍生雜環(huán)原子摻雜多孔碳催化劑在燃料電池中的最新進展，以及利用不同MOF前體制備雜環(huán)原子摻雜多孔碳催化劑的合成策略，包括MOFs的直接碳化，MOF和雜環(huán)原子混合物碳化，以及MOF基復合碳化。文章著重介紹了MOF衍生的無金屬催化劑和過渡金屬摻雜的碳催化劑的前體設計，因為MOF前體通常決定衍生的多孔碳催化劑的微觀結構。由于MOF結構的多功能性，MOF衍生的多孔碳不僅提供了開發(fā)高效ORR電催化劑的機會，而且擴大了納米多孔碳家族，能夠更好的用于超級電容器和電池中。

 

　　文獻鏈接：Recent Progress in MOF-Derived, Heteroatom-Doped Porous Carbons as Highly Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells(Adv. Funct. Mater.,2017,DOI:10.1002/adfm.201704537)

 

　　2、Nature Reviews Materials綜述：用于機械力和電場體內(nèi)成像的納米材料

 

 

 

圖2 生物學中的機械力和電場

 

　　機械力在細胞分化，組織結構和諸如癌癥和心臟病的疾病中起關鍵作用; 電場對細胞間通訊，肌肉收縮，神經(jīng)信號傳導和感官知覺是必不可少的。因此，量化生物系統(tǒng)的機械力和電場對于理解生理和疾病病理以及開發(fā)用于修復和恢復的醫(yī)療工具是至關重要的。近日，斯坦福大學Randy D. Mehlenbacher、Jennifer A. Dionne(共同通訊)等人綜述了體內(nèi)傳感機械力和電場的進展，重點放在光學探針上。分子轉(zhuǎn)子，熒光染料，半導體納米粒子，等離子體納米粒子和鑭系元素摻雜的上轉(zhuǎn)換納米粒子等生物相容性光學探針的出現(xiàn)為推動空間和時間分辨率，穩(wěn)定性，多模式和生物成像中的刺激敏感性發(fā)展提供了機遇。文章接下來進一步討論了這些探針背后的材料設計原理，并通過各種指標進行比較，以便于選擇傳感器。最后，文章研究了哪些進展是必要的，以便充分揭示機械力和電場在體內(nèi)的作用，例如探測力的矢量性質(zhì)的能力，力和場的聯(lián)合傳感器的發(fā)展以及高效光學致動器的設計。

 

　　文獻鏈接：Nanomaterials for in vivo imaging of mechanical forces and electrical fields(Nat. Rev. Mater.,2017,DOI:10.1038/natrevmats.2017.80)

 

　　3、Advanced Materials綜述：核–殼納米結構：設計，合成和生物醫(yī)學應用

 

　　

 

 

圖3 核–殼納米結構及其生物醫(yī)學應用

 

　　核–殼納米結構(YSNs)由于其獨特的結構特征，令人著迷的物理化學性質(zhì)和潛在應用而吸引了研究者極大的研究興趣。近日，福州大學Jibin Song、楊黃浩、美國國立衛(wèi)生研究院陳小元(共同通訊)等人全面綜述了YSN的設計，合成和生物醫(yī)學應用。YSNs的合成策略分為硬模板，軟模板，自模板和多方法組合合成四類。對于硬或軟模板策略，可以使用不同類型的剛性或囊泡模板來制造YSN。對于自模板策略，人們引入了一些非常規(guī)的合成方法。對于多方法組合策略，將各種方法一起應用可產(chǎn)生不能僅通過單一方法直接獲得的YSN。文章詳細討論了YSN的生物醫(yī)學應用，包括生物傳感，生物成像，藥物/基因傳遞和癌癥治療。此外，作者還指出了YSNs在這些應用領域的潛在優(yōu)勢。 最后，文章對YSN的未來研究和發(fā)展發(fā)表了一些看法。

 

　　文獻鏈接：Yolk–Shell Nanostructures: Design, Synthesis, and Biomedical Applications(Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201704639)

 

　　4、Chemical Society Reviews綜述：核堿基，核苷和核苷酸：用于生成功能性納米材料的多功能生物分子

 

　　

 

 

圖4 超分子聚合物的螺旋手性方案

 

　　將生物分子結合到納米材料中產(chǎn)生具有新穎和先進性能的功能納米系統(tǒng)，在各個領域具有巨大的應用潛力。核堿基，核苷和核苷酸作為核酸和生物輔酶的結構單元，構成了生命基礎的必要組成部分。近日，中科院長春應用化學研究所曲曉剛(通訊作者)團隊總結了用于合成納米材料以及使用核堿基，核苷和核苷酸作為構建模塊，模板或調(diào)節(jié)劑來調(diào)節(jié)其形態(tài)和功能的策略。這涉及到從感應，生物成像，藥物輸送到模仿捕光天線，邏輯門的構建等各種應用。此外，作者還提出了這個新興領域的一些觀點和挑戰(zhàn)。

 

　　文獻鏈接：Nucleobases, nucleosides, and nucleotides: versatile biomolecules for generating functional nanomaterials(Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C7CS00673J)

 

　　5、Progress in Materials Science綜述：通過析氫和二氧化碳/氮還原反應用于實現(xiàn)可持續(xù)的氫氣產(chǎn)生和儲存的先進催化劑

 

　　

 

 

 

　　圖5 用于基準化HER的異質(zhì)電催化劑性能的方案

 

　　伴隨著能源危機不斷加劇和CO2誘發(fā)的全球變暖，建設可再生能源系統(tǒng)成為了重大科學挑戰(zhàn)之一。其中，電催化在清潔能源轉(zhuǎn)化中起著關鍵作用，為未來技術提供了一系列可持續(xù)化學和工藝。近日，吉林大學鄢俊敏(通訊作者)團隊通過氫氣的釋放，二氧化碳和氮的還原等清潔能源反應討論了氫氣生產(chǎn)和儲存的非均相電催化劑的最新進展。重點放在結構/組成-催化活性關系和改善策略上。當然，文章也討論了這些反應的幾個挑戰(zhàn)和研究方向。 綜合評估為設計強大的電催化劑提供了指導，使得燃料和化學品的可持續(xù)生產(chǎn)成為可能。

 

　　文獻鏈接：Advanced catalysts for sustainable hydrogen generation and storage via hydrogen evolution and carbon dioxide/nitrogen reduction reactions(Prog. Mater. Sci.,2017,DOI:10.1016/j.pmatsci.2017.09.001)

 

　　6、Accounts of Chemical Research綜述：具有光致變色配體的配合物

 

　　

 

 

 

　　圖6 光致變色反應

 

　　光致變色化合物以其在許多領域的有前途的應用而聞名。近日，香港大學Vivian Wing-Wah Yam(通訊作者)等人指出因為重金屬中心的自旋軌道耦合較大，因此光致變色配體與過渡金屬絡合物和配位絡合物體系的結合不僅使得有機光致變色體系的三重態(tài)更容易接近，這將導致激發(fā)波長易于延伸到具有較少破壞性的較長波長的低能激發(fā)。另一方面，金屬配合物的長壽命三重態(tài)激發(fā)態(tài)也適用于能量或電子轉(zhuǎn)移過程，這將導致新的光致變色行為和光可切換的功能性質(zhì)。

 

　　文獻鏈接：Coordination Compounds with Photochromic Ligands: Ready Tunability and Visible Light-Sensitized Photochromism(Acc. Chem. Res.,2017,DOI:10.1021/acs.accounts.7b00426)