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材料前沿最新综述精选(2017年12月第2周)

材料人2020-05-22 16:52:06
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1. Advanced Materials: 极性弹性体作为机电致动器应用的新材料

 

电介质弹性体执行器是可伸展的电容器,可以在充电时进行类似肌肉的驱动。如果驱动电压可以降至24伏以下,它们将能够用来替换出现故障的肌肉。瑞士联邦材料科学与技术实验室的Dorina M. Opris教授(通讯作者)在本文中综述了极性电介质弹性体及其在电场下的行为。重点放在了与分子结构相关的所有特征,合成,以及它对属性的影响上。就聚合物类而言,在某种程度上,焦点是聚硅氧化合物,因为它们具有很吸引人的低玻璃转变温度。这使得在维持软弹性特性的同时,可以将强极化的种群引入到主干中。


图1. 机器人手臂


文献连接:Polar Elastomers as Novel Materials for Electromechanical Actuator Applications (Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201703678)


2.Advanced Materials:木基纳米技术的可持续性应用

 

除了可持续性、可再生和可生物降解的特点外,木材及其衍生物在材料方面也极具吸引力,其优点包括多孔结构、层次结构、优异的机械性能和多用途的化学特性。在此基础上,来自马里兰大学帕克校区的胡良兵、罗伟和Amy Gong教授(共同通讯)等人总结了采用先进的纳米技术来设计新颖的木质材料的策略,包括从高度结晶的纳米板结构中可控制的自下向上组装,以及直接从木材中获得的更高效的自顶向下方法。除了材料设计,作者也提出了关于这些优质的木质材料可持续应用的最新进展,研究关注的领域为传统上由人为的不可再生材料,如塑料、玻璃和金属转移到更高级的应用领域如能源存储、污水处理和光诱导海水淡化等。此外,作者介绍了近年来材料设计和可持续应用的最新进展,提出了基于木质材料的未来工程技术,用以促进持续健康的发展,实现真正的可持续性。


图2. 树的层次结构图显示了宏观-纳米尺度的尺寸,以及它们通过可持续性纳米技术的先进应用


文献连接:Wood-Based Nanotechnologies toward Sustainability (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703453)


3.Advanced Energy Materials:磷和黑磷在能量转换和储存设备中的应用

 

在2014年,研究人员成功地分离了磷(原子层厚度的黑磷),目前已经引起了2D材料研究者的兴趣。最近,来自莱布尼茨固态材料研究所Mark H. Rummeli教授(通讯作者)等人首先简要介绍了磷和黑磷的基本原理,以及它们的结构、性质和合成方法。其次,作者对它们的能源应用进行了概述,尤其是在电化学能量储存领域。相比石墨烯,层间距大(0.53 nm)的磷烯允许较大离子的插入/脱出。因此,磷可能具有较高的电化学性能。此外,作者综述了锂离子电池和二次钠离子电池的现状。接下来,作者将每一个用于能源生成、转换和存储的应用都详细地进行了描述。这些新兴的应用包括超级电容器、光电器件、水裂解、光催化氢化、产氧和热电发电机。最后,作者综述了快速增长的磷研究动态领域,并预期了未来的可能性,并对化学家、物理学家和材料科学家的努力进行了展望。


图3. 磷化物及其重要化合物和转化反应


文献链接:Applications of Phosphorene and Black Phosphorus in Energy Conversion and Storage Devices (Adv. Energy. Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702093)


4.Chemical Society Reviews:从理论到实验的二维VA半导体的最新进展

 

磷烯是一种新型的二维材料,由于其具有直接带隙、高的载流子迁移率、负的泊松分布比例和独特的平面各向异性,因此受到了研究者相当大的关注。作为磷烯的表亲,2D——VA半导体由于其有趣的结构和迷人的电子特性,也引起了研究者极大的兴趣。2D——VA成员们为它们的多功能应用提供了全新的机会,包括电子、光电子、拓扑自旋电子学、热电、传感器、锂——钠电池。来自南京理工大学的曾海波教授和马德里自治大学的Félix Zamora教授(共同通讯)广泛探讨了二维群-VA材料的基本性质、制造和应用方面的最新理论和实验进展,并为这一新兴领域的未来提供了展望和挑战。


图4. 2D——VA家庭


文献链接:Recent progress in 2D group-VA semiconductors: from theory to experiment (Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C7CS00125H)


5.Chemical Society Reviews:铑卟啉配合物的合成和应用

 

在过去的50年里,有机过渡金属复合物的合成是一个很吸引人的研究课题。在这些研究中,由于其直接的合成和独特的反应,铑卟啉复合物被证明是有可研究价值的。实际上,这些复合物负责一些具有高度影响力的有机化合物的转变,包括罕见的C-H和C-C键的激活。铑卟啉的复杂性和选择性在催化转化领域很具有前景,其对燃料电池应用的选择性一氧化碳减少有特殊作用。来自芝加哥大学的董广斌(通讯作者)教授重点介绍铑卟啉的历史和现代合成,以及它们各自对小分子的反应。讨论将局限于由4个甲基部组成的4个吡咯环组成的铑卟环。


图5. 铑卟啉结构示意图


文献连接:Synthesis and applications of rhodium porphyrin complexes (Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C7CS00582B)


6.Accounts of Chemical Research: 用于能源储存的复杂纳米材料的设计:过去的成功和未来的机会

 

下一代锂离子充电电池的具有能量密度高,成本低,安全性提高的优点,其对便携式电子设备、电动汽车和电网规模能源存储技术具有深远技术意义。特别的,先进的锂电池化学反应要求将高Li的电极转换为基于转换或合金化机制的电极,增加的容量常常伴随着剧烈的体积变化,显著的键断裂,有限的电子/离子导电性,以及不稳定的电/电解液的相互作用。


幸运的是,过去十年纳米技术的快速发展为电池研究人员提供了有效的方法来解决下一代电池化学反应的一些最紧迫的问题。 在电池中,纳米技术的主要应用可以概括为:首先,通过减少电极材料的尺寸,可以克服材料在锂离子上的开裂阈值,同时促进电极内的电子/离子传输。 其次,纳米技术还提供了一种强大的方法,可以在电极材料上生成各种表面涂层和功能化层,从而保护电池环境中的侧面反应。最后,纳米技术赋予人们在电池(分离器、电流收集器等)中每一个组件的灵活性,从而给电池带来了无法通过传统方法实现的新功能。


因此,该项目旨在突出纳米技术在先进电池系统中的关键作用。来自斯坦福大学的崔屹教授(通讯作者)在本文中将主要评估硅材料和锂金属阳极复杂性的代表性例子,其在限制它们的大体积变化和循环过程中重复的固态电解质的相互作用方面有很大的潜力。值得注意的是,作者讨论了在团队小组中开发了11代材料设计的硅阳极的逐步改进的路线图,以反映出纳米技术是如何一步步地引导电池研究走向实际应用的。随后,作者总结了构建纳米结构复合硫阴极的努力,提高了电子导电率和有效的可溶性物种封装,以最大限度地利用活性材料、循环寿命和系统效率。作者强调以碳为基础的材料,重要的是,用极表面的材料来进行硫的附着。随后作者简单地讨论了纳米材料的策略,通过结合高表面面积,以及重要的高-比-比相填充剂,来提高固体聚合物电解质的离子导电性,这是一种连续的低弯曲的离子传输途径。最后,文章简要回顾了纳米技术在网格尺度能量存储和电池安全领域的重要创新。


图6. 纳米材料在电池领域的应用


文献链接:Design of Complex Nanomaterials for Energy Storage: Past Success and Future Opportunity (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00450)


7.Accounts of Chemical Research: 矩阵溅射法:可用于光致发光贵金属纳米簇的新型物理方法

 

贵金属纳米簇被认为是单个金属原子之间的过渡,它表现出独特的光学特性和金属纳米粒子,这些纳米粒子具有典型的等离子体吸光度。当粒子的尺寸低于2纳米时,这些材料的有趣特性就会显现出来,比如光致发光,这在生物医学领域尤其具有应用前景。这些光致发光的超星系团通常是由化学还原产生的,因为这种方法所使用试剂的内在毒性,所以限制了它们的实际应用。因此,寻找替代策略,特别是在物理方法方面,即所谓的“绿色替代品”,以生产高纯度的高纯度材料就十分必要了。最近,研究人员开发了一种利用溅射技术的新方法。这种方法最初被用于制作固体基质薄膜;现在,只要这些液体具有低蒸气压,它就可以应用在液体基板上,如离子液体或聚乙二醇。这一革命性的发展开创了新的研究领域,特别是在10纳米以下的胶体纳米粒子的合成上。来自北海道大学的Tetsu Yonezawa教授(通讯作者)首次将溅射技术应用于光致发光贵金属纳米簇物理合成。

虽然典型的溅射系统依赖于液体基质的表面组成和黏度,但它只产生了直径为3-10纳米的等离子体颗粒,作者从化学方法中得到了启发,将硫醇分子作为稳定剂。在金属纳米粒子的化学合成中,控制金属离子与稳定试剂的浓度比是一种可能的系统尺寸控制方法。然而,目前尚不清楚这是否适用于溅射系统。最新研究结果表明,能够以一般的方式制备各种光致发光的Au、Ag和Cu的光致发光纳米簇,通过矩阵溅射法,结合电磁-、中性和阴离子-硫醇的诱导,纳米簇在溶液和固体形态中都表现出了稳定的释放。最重要的是,作者通过溅射揭示了这些独特的光致发光纳米簇的形成机制,与用化学方法制备的典型光致发光的纳米聚簇相比,它的直径相对较大(ca.1-3纳米)。作者认为,在这里提出的溅射系统的高可调性对于创建新的光致发光纳米簇是一种对常用化学方法的补充策略,其具有重要的优势。这篇报道突出了作者通过溅射方法来了解光致发光贵金属纳米团簇的光物理性质和形成机制,这是一种新的策略,将对金属纳米粒子和纳米粒子的科学认识产生广泛的影响。

图7. 溅射技术应用于光致发光贵金属纳米簇


文献链接:Matrix Sputtering Method: A Novel Physical Approach for Photoluminescent Noble Metal Nanoclusters (Acc. Chem. Res.,2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00470)


8.Chemical Reviews:表面等离子驱动热电子光化学

 

可见光驱动的光化学一直吸引着越来越多的关注,因为它有能力有效地收集太阳能,并有解决全球能源危机的潜力。等离子体纳米结构拥有广泛可调的光学特性,外加催化活性表面,为太阳能光化学提供了一个独特的机会。表面等离子体共振光激发会产生高能热电子,可以收集用来促进化学反应。最近,来自佛罗里达大学的Wei David Wei教授(通讯作者)综述了近年来热电子产生的基础光物理过程的理论和实验方法,讨论了等离子体金属纳米结构和等离子体金属/半导体异质结构的各种电子转移模型。列举了最近的两个等离子体驱动的热电子光化学反应的实例。最后,作者讨论了在热电子诱导的光化学中处理低反应效率的问题,并讨论了该领域中的挑战和未来机遇。

图8. 等离子体电子转移模型


文献链接:Surface-Plasmon-Driven Hot Electron Photochemistry (Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00430)


本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿,材料牛整理编辑。


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