材料前沿最新综述精选(2018年4月第1周)

1、Nature Reviews Materials 综述：钙钛矿太阳能电池的批量制造

钙钛矿材料在世界上储量丰富，已经在大规模应用上取得了一定的成果，然而仍然存在一些问题需要解决。目前最理想的装置结构还没有被找到。实验室获得的高效装置，需要的钙钛矿材料较为复杂。对于电沉积，钙钛矿材料具有低的形成能，可以采用卷式和其他高效率的设备生产。因此，钙钛矿太阳能电池适用于大规模产能需求，生产成本低，资源消耗少。这可以与薄膜光伏发电相媲美。目前，如何让实验室太阳能电池的规模和稳定性可以赶得上光伏发电技术是研究的主要焦点。因此，本综述总结了钙钛矿太阳能电池大规模制备的研究进展和目前面临的主要困难。近日，美国国家可再生能源实验室的Zhu Kai（共同通讯）等人，讨论了常用的太阳能电池和模块结构，大规模电沉积方法及其研究进展和电荷传输层的研究。对未来的钙钛矿电池组件的稳定性、组件的表征技术和其经济技术进行了分析。

图1 钙钛矿太阳能电池的效率图：（a）近几年钙钛矿电池的功率转换效率图；（b）不同电池的功率转换效率图。

文章链接：Scalable fabrication of perovskite solar cells (Nat. Rev. Mater. ,2018, DOI: 10.1038/natrevmats.2018.17)

2、Progress in Materials Science 综述：超薄薄膜在纳米尺度上界面合金相的形成动力学：X射线和极化中子反射技术

不同金属制备的多层薄膜在退火时能够模拟异质结构界面相的形成，从而揭示相形成的动力学规律。界面相形成的研究，对于材料的应用具有重要意义，也可以揭示超薄薄膜的形成机理。金属中间相结构具有优异的性能，但是在大块金属合金内，其显微结构特点很难观察。许多金属中间相兼具优异的物理和机械性能，例如，高熔点、低密度、高强度、抗氧化性和抗蠕变等。在过去的20年里，X射线和极性中子反射技术一直作为无损检测技术，测试亚纳米级的多层薄膜的磁学和物理性能。这些技术结合中子和同步辐射后，能够进一步揭示层状结构的特点。本文总结了采用X射线和中子反射技术，测试异质结构界面的低扩散，并获得薄膜界面相和低温退火的多层膜形成的动力学特点。近日，印度巴巴原子能研究中心的Saibal Basu和Surendra Singh（通讯作者）等人，总结了大块金属材料转变薄膜材料的几种动力学模型研究。并叙述了相形成的过程中界面的形貌变化，异质层的自扩散和多层退火界面中合金相的成分变化的检测和扩散的动力学特点。这些特点对于相的成分和性能具有重要影响。

图2 固态晶体相的扩散示意图

文章链接：Kinetics of interface alloy phase formation at nanometer length scale in ultra-thin films: X-ray and polarized neutron reflectometry(Prog. Mater. Sci. ,2018, DOI: 10.1016/j.pmatsci.2018.03.005)

3、Energy and Environmental Science 综述：CdS基光催化剂

目前，解决环境污染和全球能源短缺的问题成为了当务之急。半导体光催化技术可以使太阳能转换成化学燃料，这项技术正在被广泛研究。在半导体催化剂领域，CdS的低带隙对于可见光的响应，对于质子的减少具有足够的带边电位，因此得到了关注。研究发现，CdS基催化剂具有优异的催化性能，因为它可以利用太阳能燃料发电，进而保护生态环境。本文总结了当前各种CdS及CdS基光催化剂的设计和合成的研究进展；CdS的物理和化学性能和相关的生长机制；CdS基光催化剂的应用。近日，电子科技大学的张怀武和向全军（共同通讯）等人，讨论了CdS及CdS基光催化剂的主要研究成果。其中，文章将材料的合成方法、形貌调控及不同形貌下的光催化性能，进行了对比分析。CdS基光催化剂可以催化产氢和降解CO₂，减少环境污染，提供新的能源材料。这是因为CdS能够吸收可见光，促进光载流子的分离。因此，通过简单的方法合成CdS基光催化剂不仅仅对太阳能燃料发电有促进作用，也能够对其他光催化剂的研究提供指导。

图3 CdS基光催化剂的总体分析简图

文章链接：CdS-based photocatalysts (Energy Environ. Sci. ,2018, DOI: 10.1039/C7EE03640J)

4、Progress in Polymer Science 综述：可逆共价键的聚合物新材料的合成与性能

可逆的共价键聚合物能够改变它们的价态排列和结构，但仍可以获得改变后的稳定结构。虽然人们研究了很多可逆共价键聚合物新材料的合成，但是还没有克服永久共价键聚合物的劣势，也没有带来新的应用潜力。目前，许多新技术已经投入到聚合物的制备过程中，例如：性能调整、自修复、再加工、固态再生和控制降解等方法，这为提升传统的聚合物制备工艺提供了更多可能。虽然目前的研究仍属于初期阶段，但是对于大规模的应用仍具有很强的推动作用。文中总结了这种发展的现状，遵循自下而上的策略，充分考虑了理论和实验的研究成果。近日，中山大学的章明秋和容敏智（通讯作者）等人，总结了可逆共价键的聚合物新材料的合成与性能的研究进展。其内容主要包含四个方面：（1）可逆共价键的化学基础；（2）可逆共价键聚合物的流变性；（3）可逆共价键聚合物的合成方法；（4）可逆共价键的化学的智能自适应特性。虽然聚合物中含有可逆共价键的优势和劣势在文中得到了充分的分析，但是可逆共价键化学的平衡控制仍具有很多挑战和机会。

图4 可逆共价化学作用下的聚合物应用

文章链接：Polymer engineering based on reversible covalent chemistry: A promising innovative pathway towards new materials and new functionalities (Prog. Polym. Sci. ,2018, DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2018.03.002)

5、Accounts of Chemical Research 综述：分子团簇：利用纳米尺度构筑单元制备固态材料

将纳米块进行自组装合成多成分异质结构是自下而上功能材料的有效合成策略。作者的团队探索了分子团簇组装成的超原子块，用来制备新材料。原子团簇的组装具有很多优异的性能，包括多功能化、氧化还原活性、磁有序性，因此组装的超原子晶体具有可调性、原子准确性和稳定的框架结构。分子团簇很少作为功能材料的前驱被研究。作者团队一直致力于这一领域的最新发展，文中总结了团簇前驱体材料设计的最新成果。近日，美国哥伦比亚大学的Xavier Roy（通讯作者）等人，总结课题组在分子团簇前驱的研究进展：（1）分子团簇组成超原子块的合成与设计；（2）超原子晶体的自组装；（3）超原子晶体的性能研究。

图 5 超原子晶体的合成及性能示意图

文章链接：Molecular Clusters: Nanoscale Building Blocks for Solid-State Materials (Acc. Chem. Res. , 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00016)

6、Chemical Society Reviews 综述：可穿戴柔性电子器件的持续分子追踪

可穿戴柔性电子器件在个体化用药的预测分析和治疗中，具有很高的应用潜力，因此获得了大量的关注。柔性电子器件具有许多独特的性能，例如：质量轻、价格低、柔性好和舒适度高，这些性能符合个人穿戴装置的要求。不同于大部分柔性传感器主要依赖于物理活动和生命体征，新一代可穿戴柔性化学传感器具有信号及时、连续和快速探测生物指标的特点。同时在分子水平上，个人动态生命状态的信号能够得到大量收集。近日，加州理工学院的Gao Wei（通讯作者）等人，总结了可穿性柔性传感器的最近研究进展。其中，汗液、眼泪、唾液、细胞间液、血液、伤口渗出液和呼出的气体都可用做持续和无伤的分子分析。可柔性特点、传感机制和持续信号采集装置的组装和设计，在文中得到了总结和分析，同时文章讨论了可穿戴柔性传感器在未来的发展和挑战。

图6 可穿戴柔性传感器在人体无伤下的检测信号

文章链接：Wearable and flexible electronics for continuous molecular monitoring (Chem. Soc. Rev. ,2018, DOI: 10.1039/c7cs00730b)

7、Chemical Society Reviews 综述：燃料电池中多金属纳米片的合成与应用

单原子或几个原子厚度的二维多金属纳米片，比体相材料具有更多优势，包括电子迁移速率、表面不饱和配位键、高的纵横比、独特的物理和化学性能、电子性能等。薄膜的超薄厚度使其具有超高的比表面积、较高的表面能，因此可以用做燃料电池中表面活性物质。近日，清华大学的王训（共同通讯）等人，先总结了多金属纳米片的尺寸、厚度、形状和成分的精准控制的设计与合成。之后，多金属纳米片的电化学性能和高的稳定性被研究，包括：氧还原反应、产氢效率、甲酸氧化、甲醇氧化、乙醇氧化和甲醇的耐受性研究。最后，文章分析了多金属纳米片在燃料电池中的电催化作用，低价格特点和高稳定性的特点，讨论了这种材料在燃料电池的发展趋势。

图7 二维纳米材料的TEM分析

文章链接：Multimetallic nanosheets: synthesis and applications in fuel cells (Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI: 10.1039/c8cs00113h)

8、Chemical Society Reviews 综述：液态金属在化学领域的功能与应用

过渡族元素和锌族元素具有金属和液态的特点，因此这些元素及其合金具有许多优异的性能。含有这些元素的合金具有低的熔点，可以用作各领域的物理和化学材料合成。这些合金在新材料的合成方面具有重要应用。新材料往往具有很好的催化性能，也可以用于微流控芯片、柔性电子器件和医药方面。近日，皇家墨尔本理工学院的T. Daeneke和K. Kalantar-zadeh（通讯作者）等人，重点概述了液态金属材料的基础研究进展，包括：液态金属的制备、表面官能团的获得和液态金属的化学特点。同时，探讨了液态金属的发展和应用。

图8 液态金属的应用简图

文章链接：Liquid metals: fundamentals and applications in chemistry (Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI: 10.1039/c7cs00043j)

9、Chemical Society Reviews 综述：DNA金属化：理论、方法、结构和应用

近年来，DNA金属化已经得到了快速的发展，从仅仅由导电金属纳米线，制备各类纳米材料，已经可以应用于纳米光刻、能源转换和储能、催化、传感器和生物工程领域。因为DNA具有不同的排序、构型和结构，进而可以合成不同特点的纳米金属。近日，中科院长春应用化学研究所的曲晓刚和任劲松（共同通讯）等人，总结了自从1998年以来，DNA金属化的研究进展；对比了基因法与直接模板法制备纳米材料的优缺点；提供了采用DNA金属化，制备材料的方法；讨论了这些纳米金属的应用领域，分析了DNA金属化在未来的发展和挑战。

图9 DNA金属化杂化形成金属纳米线的示意图

文章链接：DNA metallization: principles, methods, structures, and applications (Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI: 10.1039/c8cs00011e)

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