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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(wǎng)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(nèi)容包括“二次電池中的安全金屬鋰負(fù)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(xué)”、“用于CO2捕捉，再生和轉(zhuǎn)化的金屬有機(jī)骨架的化學(xué)”、“納米多孔材料基因組的計(jì)算開發(fā)”等等。

1、Chemical Reviews綜述：二次電池中安全金屬鋰負(fù)極評(píng)述

金屬鋰負(fù)極以其十倍于傳統(tǒng)石墨負(fù)極的理論容量（3860 mA h g-1, 石墨負(fù)極： 372 mA h g-1）和最負(fù)的電勢(shì) （-3.045V），成為電池儲(chǔ)能界的“圣杯”。當(dāng)金屬鋰負(fù)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(shí)，有望進(jìn)一步提高手機(jī)的待機(jī)時(shí)間和電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。目前限制金屬鋰負(fù)極應(yīng)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(duì)于早日實(shí)現(xiàn)金屬鋰電池的安全性意義重大。近日清華大學(xué)張強(qiáng)（通訊作者）研究團(tuán)隊(duì)通過該論文系統(tǒng)闡述了金屬鋰負(fù)極的工作原理和技術(shù)挑戰(zhàn)、固態(tài)電解質(zhì)界面膜的形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)特性、金屬鋰的形核和生長機(jī)理、枝晶生長的數(shù)值模擬、金屬鋰枝晶生長的抑制策略、全電池中的應(yīng)用等，對(duì)于理解金屬鋰的沉積行為和尋找抑制金屬鋰負(fù)極的枝晶生長具有重要意義。

文獻(xiàn)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(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)，雖然已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用，卻幾乎只能在室溫環(huán)境中工作。因?yàn)槠溥\(yùn)行過程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的熱波動(dòng)，這也是近期消費(fèi)類產(chǎn)品中許多電池爆炸的原因。雖然解決這些問題的傳統(tǒng)方法側(cè)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(nèi)部組分相關(guān)，例如電極、電解質(zhì)材料以及固體-電解質(zhì)界面。美國萊斯大學(xué)的Pulickel M. Ajayan（通訊作者）等人在綜述中從材料的角度出發(fā)介紹了鋰離子電池耐熱性的最新進(jìn)展，跨越溫寬-60℃~150℃。比較了正極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，負(fù)極鈍化的問題以及各種電解質(zhì)、粘結(jié)劑和集電器的性能。這些電池組件提供的潛能可以擴(kuò)展商業(yè)鋰離子電池的環(huán)境前沿。

文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)溶液可加工串聯(lián)太陽能電池

聚合物基有機(jī)光伏（OPV）電池技術(shù)在過去十年中取得了長足的進(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率從僅僅幾個(gè)百分點(diǎn)提高到12％左右，穩(wěn)定性從幾小時(shí)增加到幾年。在這一進(jìn)展中，里程碑之一是發(fā)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(lián)結(jié)構(gòu)。美國加州大學(xué)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(xì)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(lián)OPV電池的進(jìn)展。具體涵蓋了基于聚合物的串聯(lián)太陽能電池，將聚合物與氫化非晶硅結(jié)合的混合串聯(lián)太陽能電池和非常規(guī)太陽能電池。并進(jìn)一步提出了這些技術(shù)的挑戰(zhàn)以及對(duì)未來發(fā)展的看法。

文獻(xiàn)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(jī)無機(jī)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(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在光伏器件研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但OIHPs中含重金屬Pb、濕熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)極大地阻礙了它的商業(yè)化應(yīng)用。盡管科學(xué)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(shè)計(jì)方面仍沒有明確的設(shè)計(jì)規(guī)則，因此，對(duì)雜化鈣鈦礦材料的深入理解對(duì)于提高鈣鈦礦太陽能電池的性能和下一代光伏材料的發(fā)展至關(guān)重要。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的黃勁松（通訊作者）等人在綜述中總結(jié)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(jìn)展，主要包括物理缺陷、鐵電性、激子分離過程、載流子復(fù)合壽命和光子循環(huán)。此外，文章批判性的評(píng)估了離子遷移對(duì)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性的影響，并討論了OIHPs走向商業(yè)化應(yīng)用存在的一些挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)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(yīng)

AB2O4（其中A和B是金屬離子）式尖晶石的磁性、光學(xué)、電和催化性質(zhì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物技術(shù)、電子學(xué)、激光、傳感器、轉(zhuǎn)化反應(yīng)和能量存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中起著重要作用，這在很大程度上取決于它們的精確結(jié)構(gòu)和組成。南開大學(xué)的陳軍教授（通訊作者）等人在綜述中總結(jié)了各種可控合成的尖晶石及其在氧還原/析出反應(yīng)（ORR/OER）和其他方面的應(yīng)用。文章首先介紹了尖晶石的組成和結(jié)構(gòu)。然后總結(jié)了固、液、氣相方法制備尖晶石的最新進(jìn)展，并特別強(qiáng)調(diào)了新方法。尖晶石的組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、缺陷和基質(zhì)的物化特性已經(jīng)通過各種方法得到合理調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)可以產(chǎn)生具有改良ORR/OER催化活性的尖晶石，可以進(jìn)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(xué)、電學(xué)和催化應(yīng)用。尖晶石的未來應(yīng)用被認(rèn)為與環(huán)境和能源問題密切相關(guān)。

文獻(xiàn)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(xué)

石墨烯作為一種具有二維單原子層結(jié)構(gòu)和獨(dú)特性能的材料，因其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)特征、相互作用強(qiáng)度、缺陷等物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)顯著影響石墨烯的形貌和屬性，進(jìn)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(xué)對(duì)于石墨烯性質(zhì)的調(diào)控、器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。清華大學(xué)朱宏偉教授、韓國蔚山科學(xué)技術(shù)研究所Rodney S. Ruoff教授、香港中文大學(xué)許建斌教授（共同通訊作者）等人在綜述中系統(tǒng)總結(jié)了典型的石墨烯表界面結(jié)構(gòu)，分析了石墨烯與不同表面的相互作用及其性能對(duì)表界面的依賴性，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了石墨烯在光電器件、表面催化、摩擦潤滑、涂層與復(fù)合材料等方面的潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)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(zhì)結(jié)構(gòu)的合成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

隨著二維（2D）材料的大量發(fā)現(xiàn)及其合成、處理方法的改進(jìn)，近年來2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅克服了每種材料的固有限制，而且適當(dāng)?shù)慕M合能實(shí)現(xiàn)新特性。石墨烯的物理和機(jī)械性質(zhì)意味著它在二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有突出的地位。日本九州大學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)的合成和應(yīng)用進(jìn)展。除了其他2D材料的堆疊和平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)及潛在應(yīng)用之外，還涵蓋了較低維度材料實(shí)現(xiàn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shù)生產(chǎn)石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其在能量儲(chǔ)存中的應(yīng)用。

文獻(xiàn)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(jī)理，可控性和可擴(kuò)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(dú)特的電、光、熱性能與其嚴(yán)格限定的低維度相關(guān)。這些材料為下一代電子產(chǎn)品提供了廣泛的基礎(chǔ)構(gòu)件。化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)非常有希望制得具有可擴(kuò)展尺寸，可控厚度和優(yōu)異電子特性的高品質(zhì)TMDC層，并適用于技術(shù)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)。通過化學(xué)方法精確設(shè)計(jì)2D材料的能力可能引發(fā)新應(yīng)用。深圳大學(xué)的時(shí)玉萌教授和阿卜杜拉國王科技大學(xué)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(fā)展，并闡述了對(duì)原子薄度TMDC的可控可靠合成的進(jìn)一步見解。了解二維TMDCs的氣相生長機(jī)制有益于形成復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和新的人造2D晶格。

文獻(xiàn)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(zhuǎn)化的金屬有機(jī)骨架的化學(xué)

二氧化碳挑戰(zhàn)是地球面臨的最緊迫的問題之一。碳循環(huán)的每個(gè)階段（捕獲，再生和轉(zhuǎn)化）都有自己的材料要求。最近關(guān)于金屬有機(jī)骨架（MOFs）的工作表明了這些材料在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的潛力和有效性。美國加州大學(xué)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(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)及由此導(dǎo)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(zhuǎn)化。MOFs的內(nèi)部可以精確地設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)不飽和金屬位點(diǎn)，特定雜原子，共價(jià)功能化，其他構(gòu)建單元相互作用，疏水性，孔隙率，缺陷和嵌入納米級(jí)金屬催化劑，這對(duì)于開發(fā)具有更高性能的MOFs材料至關(guān)重要。為了獲得全面的解決方案，有必要使用MOF化學(xué)的精度構(gòu)建更復(fù)雜的材料，以便在一種材料中一起處理選擇性、容量和轉(zhuǎn)換問題。

文獻(xiàn)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(xué)生物傳感器和測(cè)定：最新進(jìn)展和挑戰(zhàn)

中歐技術(shù)研究所的Petr Skládal（通訊作者）等人回顧了近五年來免疫化學(xué)生物傳感器（免疫傳感器）結(jié)合納米顆粒提高靈敏度的研究進(jìn)展。初始部分介紹抗體作為經(jīng)典識(shí)別元件。光學(xué)感測(cè)部分介紹熒光，發(fā)光和表面等離子體共振系統(tǒng)。電流分析法、伏安法和阻抗譜表征電化學(xué)傳感器方法，電化學(xué)發(fā)光結(jié)合光電轉(zhuǎn)換是廣泛運(yùn)用的組合方式。轉(zhuǎn)換選項(xiàng)可與適當(dāng)?shù)募{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(diǎn)，納米晶體作為量子點(diǎn)，以及光子上轉(zhuǎn)換粒子。最后總結(jié)了臨床分析（標(biāo)志物、腫瘤細(xì)胞和藥物）在環(huán)境和食品領(lǐng)域檢測(cè)病原微生物、有毒物質(zhì)和農(nóng)藥的應(yīng)用。

文獻(xiàn)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(jì)算開發(fā)

目前材料研究正在推動(dòng)大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘，以加速研究進(jìn)程。沸石，金屬-有機(jī)骨架和其他相關(guān)的結(jié)晶多孔材料對(duì)這種現(xiàn)象是無法免疫的。在過去的十年中，多孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和計(jì)算氣體吸附篩選研究證明了這一點(diǎn)。確定最佳材料用于各種氣體分離和存儲(chǔ)應(yīng)用，不僅帶來了數(shù)千種合成結(jié)構(gòu)，而且還促進(jìn)了構(gòu)建假想材料算法的發(fā)展。與這些算法組合的材料數(shù)據(jù)庫包含著比已經(jīng)合成的孔結(jié)構(gòu)更廣泛復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)。科研人員發(fā)現(xiàn)只有一小部分可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，并且在這些結(jié)構(gòu)上擴(kuò)展，將加速合理設(shè)計(jì)的進(jìn)程。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Berend Smit（通訊作者）等人在綜述中強(qiáng)調(diào)了開發(fā)這些數(shù)據(jù)庫的方法，以及大規(guī)模計(jì)算篩選研究的一些重要成果。

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

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