材料前沿最新综述精选(2018年1月第1周)

1、Advanced Functional Materials综述：MOF衍生的杂环原子掺杂多孔碳作为高效电催化剂的研究进展

图1 MOF衍生的多孔碳催化剂的合成示意图

目前，开发用于取代燃料电池中Pt基电催化剂的非贵金属催化剂已经成为热门话题，因为燃料电池中的氧化还原反应（ORR）通常需要贵金属铂作为催化剂， 这是燃料电池商业化的主要障碍之一。近日，北京化工大学曹达鹏教授（通讯作者）团队系统地综述了MOF衍生杂环原子掺杂多孔碳催化剂在燃料电池中的最新进展，以及利用不同MOF前体制备杂环原子掺杂多孔碳催化剂的合成策略，包括MOFs的直接碳化，MOF和杂环原子混合物碳化，以及MOF基复合碳化。文章着重介绍了MOF衍生的无金属催化剂和过渡金属掺杂的碳催化剂的前体设计，因为MOF前体通常决定衍生的多孔碳催化剂的微观结构。由于MOF结构的多功能性，MOF衍生的多孔碳不仅提供了开发高效ORR电催化剂的机会，而且扩大了纳米多孔碳家族，能够更好的用于超级电容器和电池中。

文献链接：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综述：用于机械力和电场体内成像的纳米材料

图2 生物学中的机械力和电场

机械力在细胞分化，组织结构和诸如癌症和心脏病的疾病中起关键作用; 电场对细胞间通讯，肌肉收缩，神经信号传导和感官知觉是必不可少的。因此，量化生物系统的机械力和电场对于理解生理和疾病病理以及开发用于修复和恢复的医疗工具是至关重要的。近日，斯坦福大学Randy D. Mehlenbacher、Jennifer A. Dionne（共同通讯）等人综述了体内传感机械力和电场的进展，重点放在光学探针上。分子转子，荧光染料，半导体纳米粒子，等离子体纳米粒子和镧系元素掺杂的上转换纳米粒子等生物相容性光学探针的出现为推动空间和时间分辨率，稳定性，多模式和生物成像中的刺激敏感性发展提供了机遇。文章接下来进一步讨论了这些探针背后的材料设计原理，并通过各种指标进行比较，以便于选择传感器。最后，文章研究了哪些进展是必要的，以便充分揭示机械力和电场在体内的作用，例如探测力的矢量性质的能力，力和场的联合传感器的发展以及高效光学致动器的设计。

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

3、Advanced Materials综述：核–壳纳米结构：设计，合成和生物医学应用

图3 核–壳纳米结构及其生物医学应用

核–壳纳米结构（YSNs）由于其独特的结构特征，令人着迷的物理化学性质和潜在应用而吸引了研究者极大的研究兴趣。近日，福州大学Jibin Song、杨黄浩、美国国立卫生研究院陈小元（共同通讯）等人全面综述了YSN的设计，合成和生物医学应用。YSNs的合成策略分为硬模板，软模板，自模板和多方法组合合成四类。对于硬或软模板策略，可以使用不同类型的刚性或囊泡模板来制造YSN。对于自模板策略，人们引入了一些非常规的合成方法。对于多方法组合策略，将各种方法一起应用可产生不能仅通过单一方法直接获得的YSN。文章详细讨论了YSN的生物医学应用，包括生物传感，生物成像，药物/基因传递和癌症治疗。此外，作者还指出了YSNs在这些应用领域的潜在优势。 最后，文章对YSN的未来研究和发展发表了一些看法。

文献链接：Yolk–Shell Nanostructures: Design, Synthesis, and Biomedical Applications（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201704639）

4、Chemical Society Reviews综述：核碱基，核苷和核苷酸：用于生成功能性纳米材料的多功能生物分子

图4 超分子聚合物的螺旋手性方案

将生物分子结合到纳米材料中产生具有新颖和先进性能的功能纳米系统，在各个领域具有巨大的应用潜力。核碱基，核苷和核苷酸作为核酸和生物辅酶的结构单元，构成了生命基础的必要组成部分。近日，中科院长春应用化学研究所曲晓刚（通讯作者）团队总结了用于合成纳米材料以及使用核碱基，核苷和核苷酸作为构建模块，模板或调节剂来调节其形态和功能的策略。这涉及到从感应，生物成像，药物输送到模仿捕光天线，逻辑门的构建等各种应用。此外，作者还提出了这个新兴领域的一些观点和挑战。

文献链接：Nucleobases, nucleosides, and nucleotides: versatile biomolecules for generating functional nanomaterials（Chem. Soc. Rev.,2017,DOI:10.1039/C7CS00673J）

5、Progress in Materials Science综述：通过析氢和二氧化碳/氮还原反应用于实现可持续的氢气产生和储存的先进催化剂

图5 用于基准化HER的异质电催化剂性能的方案

伴随着能源危机不断加剧和CO₂诱发的全球变暖，建设可再生能源系统成为了重大科学挑战之一。其中，电催化在清洁能源转化中起着关键作用，为未来技术提供了一系列可持续化学和工艺。近日，吉林大学鄢俊敏（通讯作者）团队通过氢气的释放，二氧化碳和氮的还原等清洁能源反应讨论了氢气生产和储存的非均相电催化剂的最新进展。重点放在结构/组成-催化活性关系和改善策略上。当然，文章也讨论了这些反应的几个挑战和研究方向。 综合评估为设计强大的电催化剂提供了指导，使得燃料和化学品的可持续生产成为可能。

文献链接：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综述：具有光致变色配体的配合物

图6 光致变色反应

光致变色化合物以其在许多领域的有前途的应用而闻名。近日，香港大学Vivian Wing-Wah Yam（通讯作者）等人指出因为重金属中心的自旋轨道耦合较大，因此光致变色配体与过渡金属络合物和配位络合物体系的结合不仅使得有机光致变色体系的三重态更容易接近，这将导致激发波长易于延伸到具有较少破坏性的较长波长的低能激发。另一方面，金属配合物的长寿命三重态激发态也适用于能量或电子转移过程，这将导致新的光致变色行为和光可切换的功能性质。

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

7、Progress in Materials Science综述：磁热效应：从材料研究到制冷设备

图7 Gd（Co，Mn）₂合金系列结晶的Vegard定律

由于冷却和温度控制系统的能量效率的潜在改进，以及与不依赖有害气体的压缩/膨胀技术的结合，磁热效应和其最直接的应用即磁制冷是当前关注的主题。近日，塞维利亚大学V.Franco（通讯作者）团队介绍了该效应的基本原理，考虑了样品表征中可能出现的伪影的测量技术，对不同磁热材料的综合进行了对比分析并阐述了改善其性能的可能途径。文章中还包括文献中发现的不同磁热原型的概述以及相变基础研究的磁热效应的替代应用。

文献链接：Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices（Prog. Mater. Sci.,2017,DOI:10.1016/j.pmatsci.2017.10.005）

本文由材料人新能源组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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