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2017年7月材料前沿綜述精選

2017-08-14 09:41:32 作者：本網整理來源：材料人分享至：

本文精選了2017年7月材料前沿綜述，主要內容包括“二次電池中的安全金屬鋰負極”、“極端溫度下鋰離子電池材料”、“用于光伏器件的雜化鈣鈦礦的物理性能”、“石墨烯表面的物理和化學”、“用于CO2捕捉，再生和轉化的金屬有機骨架的化學”、“納米多孔材料基因組的計算開發”等等。

1、Chemical Reviews綜述：二次電池中安全金屬鋰負極評述

金屬鋰負極以其十倍于傳統石墨負極的理論容量（3860 mA h g-1, 石墨負極： 372 mA h g-1）和最負的電勢（-3.045V），成為電池儲能界的“圣杯”。當金屬鋰負極與高能量密度的硫（理論能量密度： 2600 Wh kg-1）和氧氣正極（理論能量密度5210 Wh kg-1）耦合使用時，有望進一步提高手機的待機時間和電動汽車的續航里程。目前限制金屬鋰負極應用的主要問題是充電過程中的枝晶生長。從根本上理解金屬鋰枝晶的形核和沉積行為對于早日實現金屬鋰電池的安全性意義重大。近日清華大學張強（通訊作者）研究團隊通過該論文系統闡述了金屬鋰負極的工作原理和技術挑戰、固態電解質界面膜的形成機理和結構特性、金屬鋰的形核和生長機理、枝晶生長的數值模擬、金屬鋰枝晶生長的抑制策略、全電池中的應用等，對于理解金屬鋰的沉積行為和尋找抑制金屬鋰負極的枝晶生長具有重要意義。

文獻鏈接：Toward Safe Lithium Metal Anode in Rechargeable Batteries: A Review（Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00115）

2、Nature Energy綜述：極端溫度下鋰離子電池材料綜述

隨著能源儲存需求的不斷增加，這就要求電池能夠在各種極端條件下工作。鋰離子電池作為新一代儲能技術，雖然已經被廣泛研究和應用，卻幾乎只能在室溫環境中工作。因為其運行過程中內部會產生較大的熱波動，這也是近期消費類產品中許多電池爆炸的原因。雖然解決這些問題的傳統方法側重于熱管理策略，但是在低（< 20℃）和高（> 60℃）溫度下鋰離子電池的性能和安全性與其內部組分相關，例如電極、電解質材料以及固體-電解質界面。美國萊斯大學的Pulickel M. Ajayan（通訊作者）等人在綜述中從材料的角度出發介紹了鋰離子電池耐熱性的最新進展，跨越溫寬-60℃~150℃。比較了正極的結構穩定性，負極鈍化的問題以及各種電解質、粘結劑和集電器的性能。這些電池組件提供的潛能可以擴展商業鋰離子電池的環境前沿。

文獻鏈接：A materials perspective on Li-ion batteries at extreme temperatures（Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/nenergy.2017.108）

3、Nature Reviews Materials綜述：低帶隙共軛聚合物實現溶液可加工串聯太陽能電池

聚合物基有機光伏（OPV）電池技術在過去十年中取得了長足的進步，光電轉換效率從僅僅幾個百分點提高到12％左右，穩定性從幾小時增加到幾年。在這一進展中，里程碑之一是發明了紅外吸收低帶隙聚合物，使得OPV電池形成用于從太陽光譜收集近紅外光的有效串聯結構。美國加州大學洛杉磯分校的李剛和楊陽（共同通訊作者）等人在綜述中詳細介紹了低帶隙共軛聚合物和由這些低帶隙聚合物制成串聯OPV電池的進展。具體涵蓋了基于聚合物的串聯太陽能電池，將聚合物與氫化非晶硅結合的混合串聯太陽能電池和非常規太陽能電池。并進一步提出了這些技術的挑戰以及對未來發展的看法。

文獻鏈接：Low-bandgap conjugated polymers enabling solution-processable tandem solar cells（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.43）

4、Nature Reviews Materials綜述：用于光伏器件的雜化鈣鈦礦的物理性能

在過去的幾十年間，研究人員一直致力于尋找可自清潔、可再生、成本低的新型光伏材料。有機無機雜化鈣鈦礦（OIHPs）由于具有原材料豐富、成本低、可低溫批量合成、轉換效率高等優點，在光伏器件研究領域受到廣泛關注。但OIHPs中含重金屬Pb、濕熱穩定性差等缺點極大地阻礙了它的商業化應用。盡管科學家在這些問題上做了很多努力，但收獲卻很小。此外，在材料的設計方面仍沒有明確的設計規則，因此，對雜化鈣鈦礦材料的深入理解對于提高鈣鈦礦太陽能電池的性能和下一代光伏材料的發展至關重要。美國內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松（通訊作者）等人在綜述中總結了開路電壓虧損較小、效率較高的三維和低維OIHPs物理性能的最新研究進展，主要包括物理缺陷、鐵電性、激子分離過程、載流子復合壽命和光子循環。此外，文章批判性的評估了離子遷移對太陽能電池的效率和穩定性的影響，并討論了OIHPs走向商業化應用存在的一些挑戰。

文獻鏈接：Understanding the physical propertiesof hybrid perovskites for photovoltaicapplications（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.42）

5、Chemical Reviews綜述：尖晶石：可控合成，氧還原/析氧反應

AB2O4（其中A和B是金屬離子）式尖晶石的磁性、光學、電和催化性質在數據存儲、生物技術、電子學、激光、傳感器、轉化反應和能量存儲/轉換等應用中起著重要作用，這在很大程度上取決于它們的精確結構和組成。南開大學的陳軍教授（通訊作者）等人在綜述中總結了各種可控合成的尖晶石及其在氧還原/析出反應（ORR/OER）和其他方面的應用。文章首先介紹了尖晶石的組成和結構。然后總結了固、液、氣相方法制備尖晶石的最新進展，并特別強調了新方法。尖晶石的組成、結構、形態、缺陷和基質的物化特性已經通過各種方法得到合理調節，這種調節可以產生具有改良ORR/OER催化活性的尖晶石，可以進一步加速燃料電池、金屬空氣電池和水分解裝置的速度，延長壽命并縮小極化。最后文章討論了OER/ORR以外的磁性、光學、電學和催化應用。尖晶石的未來應用被認為與環境和能源問題密切相關。

文獻鏈接：Spinels: Controlled Preparation, Oxygen Reduction/Evolution Reaction Application, and Beyond（Chem. Rev.,2017,DIO:10.1021/acs.chemrev.7b00051）

6、Chemical Society Reviews綜述：石墨烯表面物理和化學

石墨烯作為一種具有二維單原子層結構和獨特性能的材料，因其優異的力學、電學、熱學和光學性能，在諸多領域展現出潛在的應用價值。在實際應用中，石墨烯總要與襯底接觸形成表面和界面，這些表界面的結構特征、相互作用強度、缺陷等物理化學性質會顯著影響石墨烯的形貌和屬性，進而影響石墨烯器件的性能。深入理解石墨烯與襯底之間的界面物理化學對于石墨烯性質的調控、器件的優化設計具有重要意義。清華大學朱宏偉教授、韓國蔚山科學技術研究所Rodney S. Ruoff教授、香港中文大學許建斌教授（共同通訊作者）等人在綜述中系統總結了典型的石墨烯表界面結構，分析了石墨烯與不同表面的相互作用及其性能對表界面的依賴性，在此基礎上總結了石墨烯在光電器件、表面催化、摩擦潤滑、涂層與復合材料等方面的潛在應用。

文獻鏈接：The physics and chemistry of graphene-on-surfaces（Chem. Soc. Rev.,2017,DIO:10.1039/C7CS00256D）

7、Chemical Society Reviews綜述：石墨烯基二維異質結構的合成、結構和應用

隨著二維（2D）材料的大量發現及其合成、處理方法的改進，近年來2D異質結構領域越來越受到關注。這種異質結構不僅克服了每種材料的固有限制，而且適當的組合能實現新特性。石墨烯的物理和機械性質意味著它在二維異質結構領域具有突出的地位。日本九州大學的Hiroki Ago教授（通訊作者）等人在綜述中討論了石墨烯基二維異質結構的合成和應用進展。除了其他2D材料的堆疊和平面異質結構及潛在應用之外，還涵蓋了較低維度材料實現的異質結構，以及異質結構嵌入幾層石墨烯中的特殊情況。最后回顧了使用液相剝離技術生產石墨烯異質結構及其在能量儲存中的應用。

文獻鏈接：Synthesis, structure and applications of graphene-based 2D heterostructures（Chem. Soc. Rev., 2017, DIO:10.1039/C7CS00160F）

8、Chemical Reviews綜述：二維層狀過渡金屬硫化物的外延生長：生長機理，可控性和可擴展性

近年來，在二維（2D）材料中，包括石墨烯、氮化硼（h-BN）、黑磷（BPs）和過渡金屬硫化物（TMDCs）的研究取得了許多突破。2D材料獨特的電、光、熱性能與其嚴格限定的低維度相關。這些材料為下一代電子產品提供了廣泛的基礎構件。化學氣相沉積（CVD）技術非常有希望制得具有可擴展尺寸，可控厚度和優異電子特性的高品質TMDC層，并適用于技術應用和基礎科學。通過化學方法精確設計2D材料的能力可能引發新應用。深圳大學的時玉萌教授和阿卜杜拉國王科技大學的Lain-Jong Li（共同通訊作者）等人在綜述中通過CVD方法介紹了TMDC合成的最新發展，并闡述了對原子薄度TMDC的可控可靠合成的進一步見解。了解二維TMDCs的氣相生長機制有益于形成復雜的異質結構和新的人造2D晶格。

文獻鏈接：Epitaxial Growth of Two-Dimensional Layered Transition-Metal Dichalcogenides: Growth Mechanism, Controllability, and Scalability（Chem. Rev., 2017, DIO:10.1021/acs.chemrev.7b00212）

9、Nature Reviews Materials綜述：用于CO2捕捉，再生和轉化的金屬有機骨架的化學

二氧化碳挑戰是地球面臨的最緊迫的問題之一。碳循環的每個階段（捕獲，再生和轉化）都有自己的材料要求。最近關于金屬有機骨架（MOFs）的工作表明了這些材料在應對這一挑戰的潛力和有效性。美國加州大學伯克利分校Omar M. Yaghi教授（通訊作者）等人在綜述中確定了MOFs的具體結構和化學性質及由此導致的最高的捕捉能力，最有效的分離和再生過程以及最有效的催化轉化。MOFs的內部可以精確地設計協調不飽和金屬位點，特定雜原子，共價功能化，其他構建單元相互作用，疏水性，孔隙率，缺陷和嵌入納米級金屬催化劑，這對于開發具有更高性能的MOFs材料至關重要。為了獲得全面的解決方案，有必要使用MOF化學的精度構建更復雜的材料，以便在一種材料中一起處理選擇性、容量和轉換問題。

文獻鏈接：The chemistry of metal-organic frameworks for CO2 capture, regeneration and conversion（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.45）

10、Chemical Reviews綜述：納米顆粒基免疫化學生物傳感器和測定：最新進展和挑戰

中歐技術研究所的Petr Skládal（通訊作者）等人回顧了近五年來免疫化學生物傳感器（免疫傳感器）結合納米顆粒提高靈敏度的研究進展。初始部分介紹抗體作為經典識別元件。光學感測部分介紹熒光，發光和表面等離子體共振系統。電流分析法、伏安法和阻抗譜表征電化學傳感器方法，電化學發光結合光電轉換是廣泛運用的組合方式。轉換選項可與適當的納米顆粒一起使用，如金屬和金屬氧化物，包括磁性納米顆粒，碳基納米管，石墨烯變體，熒光碳點，納米晶體作為量子點，以及光子上轉換粒子。最后總結了臨床分析（標志物、腫瘤細胞和藥物）在環境和食品領域檢測病原微生物、有毒物質和農藥的應用。

文獻鏈接：Nanoparticle-Based Immunochemical Biosensors and Assays: Recent Advances and Challenges（Chem. Rev.,2017,DIO:10.1021/acs.chemrev.7b00037）

11、Nature Reviews Materials綜述：納米多孔材料基因組的計算開發

目前材料研究正在推動大數據和數據挖掘，以加速研究進程。沸石，金屬-有機骨架和其他相關的結晶多孔材料對這種現象是無法免疫的。在過去的十年中，多孔結構數據庫和計算氣體吸附篩選研究證明了這一點。確定最佳材料用于各種氣體分離和存儲應用，不僅帶來了數千種合成結構，而且還促進了構建假想材料算法的發展。與這些算法組合的材料數據庫包含著比已經合成的孔結構更廣泛復雜的多孔結構。科研人員發現只有一小部分可實現的結構，并且在這些結構上擴展，將加速合理設計的進程。瑞士洛桑聯邦理工學院的Berend Smit（通訊作者）等人在綜述中強調了開發這些數據庫的方法，以及大規模計算篩選研究的一些重要成果。

文獻鏈接：Computational development of the nanoporous materials genome（Nat. Rev. Mater.,2017,DIO:10.1038/natrevmats.2017.37）

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責任編輯：殷鵬飛

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