材料前沿最新综述精选(2017年9月第4周)

1. Advanced Materials综述：有机无机卤化物钙钛矿光电探测器

图1 在使用富勒烯中间层的钙钛矿装置界面处的陷阱钝化示意图

过去八年（2009-2017年）中光伏和发光二极管研究领域对有机-无机卤化物钙钛矿的兴趣爆增。最近的进展已经证明，这种类型的钙钛矿在光信号检测技术中具有巨大的潜力，其具有与市售的晶体Si和III-V光电检测器不相上下的性能。近日，田纳西大学的胡斌教授（通讯作者）等人详细介绍了现代多功能钙钛矿的固有光电性能，包括光电极化、高漂移迁移率和有效电荷收集，使其在信号检测领域的迅速发展。具有优异光活性的钙钛矿半导体可以检测从紫外线、可见光到近红外区域的宽范围电磁波，并具有低成本的溶液加工性和良好的光子产率。这类半导体可能会在成像、光通信和生物医学传感领域提供突破性光电探测器技术。此外，文章重点关注了钙钛矿光电探测器下一阶段发展的材料合成、设计的批判性理解，阐释了现有技术的挑战，为今后进一步研究提供了思路。

文章链接：A Review on Organic–Inorganic Halide Perovskite Photodetectors: Device Engineering and Fundamental Physics(Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201605242)

2. Advanced Energy Materials综述：用于软能设备的可变形透明离子的电子导体

图2 几种基于可拉伸、透明离子/电子导体的软能储存和转换装置

近来可变形或可拉伸电子设备蓬勃发展，灵活的透明显示屏以及它们与人体的融合需求促进了其在满足能量或功率要求的同时，还需要可拉伸、透明、可穿戴或生物兼容的多功能装置的发展。软能源系统的开发始于相关导体的制备和创新器件配置的设计。在这项研究中，随着软储能和转换系统的发展，可拉伸、透明的电子和离子导体的最新进展和趋势被人们所重视。近日，南洋理工大学的Pooi See Lee（通讯作者）等人阐述了可伸缩的透明离子导体作为软能装置中集流器和电解质的可能性，为有效的人机交互提供了新见解。此外，文中还详细讨论了展示基于可拉伸透明离子/电子导体的软能装置的代表性实例。并考虑了开发具有定制特征的新型可拉伸透明导体和器件配置的挑战和前景。

文章链接：Deformable and Transparent Ionic and Electronic Conductors for Soft Energy Devices (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701369)

 3. Advanced Energy Materials综述：影响TiO₂电极中电荷运输的内在结构

图3 1维TiO₂纳米结构的形成和化学切割的示意图

由于其独特的光学性能、化学和热稳定性以及无毒性，TiO₂是光电化学应用中电极应用最广泛的半导体材料。电子过程，特别是电极内的电荷传输和界面电荷转移，是进一步利用太阳能的问题之一。为此，许多方法，包括开发新型电极配置和调谐电子结构已被用于促进这些电子过程。尽管人们进行了深入研究，但TiO₂纳米结构中的一些内在结构特征并未被特别关注。近日，中科院山西煤炭化学研究所的陈加藏和南洋理工大学的Bin Liu（共同通讯作者）等人简要总结了光电化学应用的TiO₂纳米结构的最新进展，重点强调了TiO₂纳米结构中的本征结构特征，以及涉及这些特征的挑战和观点。这些内在的结构特征对TiO₂电极中的电荷传输和界面电荷转移具有深远影响。

文章链接：Unraveling the Intrinsic Structures that Influence the Transport of Charges in TiO₂ Electrodes (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700886)

4. Progress in Polymer Science综述：儿茶酚官能化的超支化聚合物

图4 通过自聚合形成多巴胺的机理方案

儿茶酚在生物过程中发挥着重要的作用，促使研究人员将它们纳入仿生生物医学材料的设计中。儿茶酚基（或其衍生物）的低分子量和良好的水溶性使其通常成为接枝到聚合物链上良好候选物，进而实现生物材料功能化。为了充分利用儿茶酚的强大功能，人们可以将超出接枝到线性聚合物链的方式看作是超支化聚合物，其中至少一个分支包含至少一个邻苯二酚部分。近年来，人们已经开发了许多方法来合成多功能超支化聚合物，其具有用于生物粘合剂和表面涂层的儿茶酚功能。近日，天津大学的王文新、王玮（共同通讯作者）等人重点介绍了在（超）支化结构聚合物中引入重要和多功能儿茶酚组件的主要合成方法。此外，突出显示了这些聚合物在生物医学领域应用。

文章链接：Catechol functionalized hyperbranched polymers as biomedical materials (Prog. Polym. Sci, 2017, DOI: doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2017.09.002)

5. Advanced Energy Materials综述：混合钙钛矿太阳能电池中的中间层

图5 混合钙钛矿太阳能电池中夹层的可能位置

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC）是最有希望的第三代太阳能电池。它们具有良好的功率转换效率且能耗更低。为了提高PSC的效率和长期稳定性，有机分子经常用作“夹层”。中间层是改变太阳能电池中特定界面的有机分子薄层或单层。近日，巴斯大学的Petra J. Cameron（通讯作者）等人回顾了使用中间层来优化PSC性能的最新进展。因为在PSC和有机光伏（OPV）中使用的夹层类型有许多相似之处，进而在OPV领域也有一些有趣的样例。本文分为三个部分。第一部分着重于介绍为什么有机分子夹层能够提高太阳能电池的性能；第二部分讨论常用的分子中间层；在最后一部分，讨论了制作薄均匀夹层的不同方法。

文章链接：Molecular Interlayers in Hybrid Perovskite Solar Cells (Adv.Energy Mater.

, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701544)

6. Advanced Energy Materials综述：可充电钠离子电池高压阴极材料的进展

图6 室温钠离子电池的工作原理

由于具有竞争力的成本效益和可持续的资源供应，室温可充电钠离子电池被认为是最有前途的电网和其他存储应用的替代技术。为了促进钠离子技术的发展，钠离子电池的能量密度需要提高到目前商用锂离子电池的水平。其有效的方法是提高电池的工作电压，这需要使用耐高压稳定的Na⁺ / Na的阴极材料。近日，德克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram（通讯作者）等人总结了近来新兴的用于室温钠离子电池的高压阴极材料的进展，包括层状过渡金属氧化物、富Na材料和聚阴离子化合物。并且讨论了这些材料的关键问题和相应的策略，重点是内在的结构特性，Na储存电化学和相对于氧化还原反应的电压变化趋势。本文提出的见解可以作为提高室温钠离子电池能量密度的指南。

文章链接：Progress in High-Voltage Cathode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701785)

7. Advanced Energy Materials综述：单原子催化剂—异构催化中出现的多功能材料

图7 纳米颗粒、分层2D材料、单原子链以及单原子研究进展示意图

载体金属纳米粒子是催化剂中研究广泛的非均相催化剂。金属纳米结构的大小是影响催化剂活性的重要参数。特别地，由于配位不饱和金属原子总是作为催化活性中心，所以降低催化剂的粒度可以大大提高每个金属原子的比活性。近日，天津大学的叶金花（通讯作者）等人详细描述了单原子催化剂的发展。固定在载体上的单一金属原子的单原子催化剂（SAC）代表金属催化剂的最大利用形态，从而使金属原子使用效率的最大化。然而，随着粒径的减小，SAC表面自由能明显增加，并且趋于聚集成簇或颗粒。所以选择合适的载体是必要的，以便与孤立的原子发生强烈的相互作用，从而防止分离的原子的移动和聚集，产生稳定的细分散活性位点。此外，通过均匀的单原子分散和明确的配置，SAC为优化高选择性和活性提供了巨大的空间。文中介绍了SAC制备、表征和催化测试的详细讨论，包括对SAC材料的关键问题的理论部分。并强调了SAC作为催化剂的主要优点以及进一步提高催化剂性能所面临的挑战。

文章链接：Single-Atom Catalysts: Emerging Multifunctional Materials in Heterogeneous Catalysis (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701785)

8. Advanced Energy Materials综述：纳米发电机驱动的自供电植入式生物医学装置

图8  iTENG的工作原理

近年来，植入式医疗器械（IMD）在医疗实践方面取得了飞速发展。然而，大多数这种设备需要像电池这样的外部电源来操作，这可能会限制其在体内的应用。此外，IMD的这些外部电池一旦过期需要通过手术而更新，从而对患者造成身体和心理上的烦恼，并增加医疗保健的财务负担。目前，在体内收获生物力学能量被认为是确保植入式医疗设备可持续运行的最重要的能源技术之一。近日，麦考瑞大学的Nazmul Huda（通讯作者）等人突出介绍了可植入式摩擦电纳米发电机（iTENG）和可植入式压电纳米发电机（iPENG）的近期改进，以推动自供电的无线医疗保健系统的发展。而且对其在心脏监测、起搏器通电、神经细胞刺激、正畸治疗和实时生物医学监测中的潜在应用进行了总结和介绍。最后，文章还解决了在体内环境下显著影响iTENG和iPENGs输出性能的一些关键问题。

文章链接：Recent Advances in Nanogenerator-Driven Self-Powered Implantable Biomedical Devices (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701210)

9. Chemical Reviews综述：酶生物燃料细胞的O₂还原

图9  摘要简介图

由于O₂特殊的可用性和高O₂/H₂O氧化还原电位，因此可以允许燃料电池中的高能量反应，从O₂到水的催化四电子还原是最广泛研究的电化学反应之一。为了避免使用昂贵且低效的Pt催化剂，人们已经设想出多能氧化酶（MCO），因为它们提供了几乎没有超电势的有效的氧还原。研究者们已经使用MCO来制备酶生物燃料电池（EBFC），它可以代替常规催化剂的燃料电池。具有葡萄糖氧化阳极和O₂还原MCO阴极的葡萄糖/O₂ EBFC可以成为未来集成医疗装置中的体内电力来源。近日，法国国家科学研究院的Nicolas Mano（通讯作者）等人发表综述，涵盖了MCO的电化学及其在EBFC中的应用的挑战和进展。介绍了MCO和EBFCs的第一个基本特征，描述了这些酶在电极连接时的行为。然后讨论了在开发基于直接和介导的电子转移机制的O₂还原的有效生物阴极中的进展，并提出了EBFCs的一些未来发展。

文章链接：O₂ Reduction in Enzymatic Biofuel Cells (Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00220)

10. Chemical Society Reviews综述：控制钙钛矿型电极中的阳离子偏析，提高电催化活性和耐久性

图10  用于储能和转换的固体氧化物电池的结构示意图

基于固体氧化物电池（SOC）的能量转换系统由于其高效率、低排放和优异的燃料灵活性，有可能成为电力和化学燃料之间可逆转换的最干净有效的系统。然而，这种技术的发展受到缺乏高性能电极材料的阻碍。虽然许多钙钛矿基材料作为SOC电极非常有潜质，但在其表面或界面附近的阳离子经常富集或分离，这不仅影响电极动力学，而且还极大地影响其耐久性和操作寿命。由于与表面富集或分离相关的化学和结构变化通常局限于纳米尺度，因此需要先进的实验和计算工具来实时探测这些近表面区域的详细组成、结构和纳米结构。近日，清华大学的于波，华南理工大学的陈燕和佐治亚理工学院的刘美林（共同通讯作者）等人

介绍了近期在这一领域取得的进展，突出了几种广泛研究的钙钛矿型材料体系中的热力学驱动力、动力学和表面富集和分离的各种结构。然后强调了表面纳米结构与电催化活性和电极稳定性之间的相关性，这对于实现具有优异耐久性的更高效的SOC电极材料的合理设计至关重要。此外，表面处理的方法和机理分析适用于其他材料系统，包括H₂O/CO₂和金属空气电池的热化学光辅助分裂。

文章链接：Controlling cation segregation in perovskite-based electrodes for high electro-catalytic activity and durability (Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/C7CS00120G)

11. Nature Reviews Materials综述：Picoscale材料工程

图11  通过塑性结构变形来操纵界面处的材料性质示意图

原子键合形成材料的方式，特别是键长度和角度的形状是所得材料性质的基本决定因素。功能材料通常可以通过改变电子结构的皮米尺度的长度或发生可逆的键扭曲来改进其性质。近日，耶鲁大学的Sohrab Ismail-Beigi、Charles H. Ahn（共同通讯作者）等人通过列举几个例子，讨论了如何使用picoscale键扰动来实现特定的材料特性。文中研究了镍酸盐岩中的轨道工程、钙钛矿超晶格中获得的功能特性，以及界面效应对硒化铁高超导转变温度的影响。强调了过渡金属二硫属元素中带状拓扑与皮米尺度变形之间的关系以及晶格模式对材料性质的影响。这些例子突出说明了如何组合使用第一原理方法，控制单个原子层组成的材料生长技术以及现有技术来表征或动态激发picoscale键扭转的方法，阐释了picoscale键材料工程的规则和概念。

文章链接：Picoscale materials engineering (Nat. Rev. Mater., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.60)

12. Accounts of Chemical Research综述：2D碳-碳二炔的合成与性质

图12  GDY结构及应用示意图

Graphdiyne（GDY）是包含具有高度π共轭的sp²-和sp-杂化碳原子的扁平材料，具有均匀分布的孔。近日，中科院化学研究所的李玉良、刘辉彪（共同通讯作者）等人发表综述，阐述了相关研究进展。人们目前已经开发了六乙炔基苯在Cu箔上的原位同相反应，用于制造大面积有序的二氧化硅膜。这些膜是均匀的，由石墨炔多层组成，电导率与Si相当，具有优异的半导体性能。通过形态控制的合成，研究人员可以制备具有不同性质的石墨化结构（例如纳米管、纳米线和纳米线）。图形二维纳米管阵列和石墨炔纳米壁表现出优异的场致发射性能，并高于其它半导体如石墨和碳纳米管。石墨炔独特的原子排列和电子结构也使它可以用作高效催化剂；而其低还原电位和高度共轭的电子结构使其也可作用于高分散和无表面活性剂的Pd簇无电沉积的还原剂和稳定剂。具有明确的多孔网络结构的基于GDY的三维（3D）纳米结构可用作产H₂的高活性阴极。杂原子掺杂的GDY是氧还原反应（ORR）的无金属电催化剂，其优异的电催化活性和廉价、便利的特点，可扩展的制备使GDY成为实用高效能源应用的候选者。文章探讨了GDY作为高效锂储存材料的应用，并且阐明了多层GDY中存在锂储存的方法。还探讨了GDY在能量转换中的应用，总结了石墨炔与其纳米结构的功能之间的关系。研究结果表明，GDY是一种新颖的2D碳材料，具有许多有吸引力的特性。它可以在一系列组成、尺寸、形状和功能上设计成新的纳米结构和材料，并应用于电子、光学、能量和光电子学领域。

文章链接：Synthesis and Properties of 2D Carbon—Graphdiyne (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00205)

13. Accounts of Chemical Research综述：具有温度依赖聚集性能的有机光伏供体聚合物

图13  聚合物的TDA性质示意图

 由于其机械灵活性、重量轻、面积大、制造成本低等特点，本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSC）在过去二十年中引起了人们的高度关注。迄今为止，OSC设备已实现超过12％的电源转换效率（PCE）。通过开发具有良好形态、电子和光学性质的高性能供体聚合物，可以实现技术发展。 OSC形态控制的一个关键问题是实现区域尺度和高聚合物结晶度之间的权衡，这对于实现高填充因子的厚膜器件尤其重要。近日，香港理工大学的颜河（通讯作者）等人介绍了具有强烈的温度依赖性聚集（TDA）性质的新型共轭聚合物的最新进展。这些聚合物可以在高温下溶解在溶液中，当溶液冷却至室温时可以强烈聚集。这种独特的聚集性质使研究人员能够在溶液处理期间控制聚合物的无序顺序转变。研究表明第二位支链烷基链和聚合物骨架上的氟化是能够实现强TDA性质的两个关键结构特征。TDA聚合物系列可与低电压损耗的OSC的非富勒烯受体匹配。富勒烯和非富勒烯OSC的匹配规则之间的关键区别在于结晶度略低的TDA聚合物与较小的分子受体可以更好匹配，并实现更高的OSC性能。
文章链接：Design of Donor Polymers with Strong Temperature-Dependent Aggregation Property for Efficient Organic Photovoltaics (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00293)

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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