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                    鄭州華晶金剛石股份有限公司

                    材料前沿最新綜述精選(2017年12月第4周)

                    2017-12-28 10:08:22|來源 金也
                    摘要 1.Science綜述:電池電極的納米尺寸電路圖1:電池電極、集成電路和生物電化學網絡發展高性能、經久耐用的電池是新一代電池技術的關鍵任務。研究者一般從以下兩個方面提升電池電極性能...

                          1.Science綜述:電池電極的納米尺寸電路

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                    圖1:電池電極、集成電路和生物電化學網絡

                          發展高性能、經久耐用的電池是新一代電池技術的關鍵任務。研究者一般從以下兩個方面提升電池電極性能:其一是發展新材料,其二是組裝新結構。關于新材料的盤點已經有一些綜述性的報道,新結構與化學反應的需求也可以通過開發空間計算工具來充分理解。然而,對于復合電極結構的尺寸、形狀的設計和不同相位的排列等關鍵問題的相關報道卻不多。這一不足突出了以下三個重要方面:(1)對此類復合體系動力學的理解不夠深入;(2)對于許多材料,決定性的輸運參數是無法測量或不確定的;(3)這個問題非常復雜,涉及多相和長度尺度。

                          近日,馬克思普朗克固態研究所的Joachim Maier教授(通訊作者)等人在Science上發表了一篇關于電池電極材料的綜述。該綜述分為四個部分,首先討論了基于輸運參數與涉及到相位維度的電極動力學優化原理,接下來是用這些原理對近些年發展起來的新型納米結構進行歸類,然后總結了必要的制備方法,最后一節重點介紹了在近些年實驗的最新結果。

                          2.Adv. Mater.綜述:人造肌肉:機制、應用與挑戰

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                          圖2:從尼龍中扭曲人造肌肉用于獲取熱量

                          人造肌肉是一類可由外部刺激(電壓、電流、壓力、溫度和光等)而產生可逆地收縮、膨脹或旋轉的材料或器件的總稱。人造肌肉是一個高度跨學科的研究領域,與材料科學、化工、機械工程、電氣工程、化學等多種領域具有高度的交叉性和重疊性。由于近些年納米材料的興起,特別是碳納米管和納米線的迅速發展為人造肌肉的發展提供了重要的機遇。然而,現在研究者常常將驅動器與人造肌肉進行串用,導致很少研究者去考慮人造肌肉究竟能不能用于人體中發揮人類肌肉的作用。

                          近日,麻省理工大學Seyed M. Mirvakili教授(通訊作者)等人在Adv. Mater.上發表了一篇關于人造肌肉的綜述。該綜述首先介紹了關于人造肌肉的科學問題,然后具體討論了人造肌肉的結構、致動機制、應用和局限性。此外,該文章還定義了一些用于測量人造肌肉的性能參數。

                          3.Prog. Polym. Sci.綜述:蛋白質模擬肽納米纖維:基序設計、自組裝合成和序列特異性生物醫學應用

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                    圖3:自組裝PMP納米纖維在生物醫學領域有著巨大的應用前景

                          自組裝肽納米結構的設計和功能納米材料的制備為各種生物醫學應用提供了重要平臺。利用蛋白質模擬肽(PMP)系統的機械和生物學優勢,將自組裝的PMP納米纖維與納米粒子等納米材料相結合,所制備的PMP基混雜纖維納米結構有望成為先進技術的應用基礎。

                          近日,北京化工大學蘇志強教授,席勒耶拿大學的Klaus D. Jandt教授和不萊梅大學的Gang Wei教授(共同通訊作者)等人在Prog. Polym. Sci.上發表了一篇綜述。在該綜述中,研究者通過模擬幾種蛋白質的性質和功能,主要介紹了PMP的序列和結構設計,以及PMP單體的設計與功能纖維生物材料的制備之間的關系。此外,還總結了各種肽基序的基本分類,并對基于功能的肽納米結構的設計提供了一些指導,討論了肽基設計和功能剪裁中的一些問題。最后,詳細介紹了PMP納米纖維基功能納米材料在生物礦化、細胞培養、組織再生、藥物傳遞、止血、生物成像和生物傳感器等方面的研究進展。

                          4.Adv. Energy Mater.綜述:低維鈣鈦礦:鈣鈦礦材料的合成及太陽能電池的穩定性 

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                          圖4:原子級二維鈣鈦礦的表征

                          近年來,鈣鈦礦已經引起了各領域專家的強烈興趣,包括太陽能電池、激光、發光二極管(LED)、水分離、光電探測器、場效應管等。從2009年鈣鈦礦太陽電池問世以來,其效率以及從3.8%迅速提升至22%。這說明鈣鈦礦本身是一種極具前景的材料,因而鈣鈦礦太陽能電池技術被譽為2016年最有前途的新興技術之一。盡管鈣鈦礦是迄今為止最吸引人的材料之一,但其存在的不穩定性問題卻嚴重阻礙了鈣鈦礦太陽能電池技術的商業化進程。然而二維鈣鈦礦的問世,為解決鈣鈦礦太陽能電池的不穩定性帶來了曙光。

                          近期,洛桑聯邦理工學院的Abd. Rashid bin Mohd. Yusoff教授和Mohammad Khaja Nazeeruddin教授(共同通訊作者)等人在Adv. Mater.上發表了一篇關于低維鈣鈦礦的綜述。該綜述首先介紹了在合成低維鈣鈦礦和生長機制方面的最新進展。隨后,重點介紹了鈣鈦礦太陽能電池的不穩定性所導致其高成本的最佳解決方案。最后分析了鈣鈦礦型太陽能電池不穩定的起因,并概述了這些低維鈣鈦礦的主要成就和未來的發展方向。

                          5.Chem. Soc. Rev.綜述:鈣基生物材料用于診斷、治療

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                    圖5:鈣基生物材料在生物領域的主要應用

                          鈣基生物材料,包括磷酸鈣、碳酸鈣、硅酸鈣和氟化鈣,由于具有良好的生物相容性和生物降解性,在生物醫學領域得到了廣泛的應用。近年來,鈣基生物材料與成像造影劑和治療劑被戰略性地結合在一起,用于各種分子成像方式,包括熒光成像、磁共振成像、超聲成像或多模成像,以及化療、基因治療等多種治療方法。與其他無機材料如硅、碳、金基生物材料相較而言, 鈣基生物材料可以溶解成離子,參與生物體的正常代謝,因此對人體無毒。這也為人們提供了更安全的臨床疾病診療方案。

                          近日,深圳大學黃鵬教授(通訊作者)等人在Chem. Soc. Rev.上發表了一篇關于鈣基生物材料的綜述。該綜述主要總結了鈣基生物材料的最新進展,從種類、特性和制備方法到其在診斷、治療和熱療法等方面的生物應用。最后還討論了鈣基生物材料的發展趨勢和其中的關鍵問題,并展望了鈣基生物材料的前景和面臨的挑戰。

                          6.Chem. Soc. Rev.綜述:納米系統中的光致變色:照亮未來的納米世界 

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                          圖6:石墨烯-二芳烯-石墨烯結示意圖

                          光致變色是一種通過外部光激發材料本身化學反應的現象,其具有高空間和時間分辨率,同時在數字可控性方面具有獨特優勢,在原位遠程操控納米材料和納米系統方面具有極大潛力?,F已知的光致變色材料可在不同性質的不同狀態之間經歷可逆的光化學轉化,這些性質已被廣泛地引入各種功能納米體系,例如納米晶、納米粒子、納米電子學、超分子中。

                          近日,肯特州立大學的Quan Li教授(通訊作者)等人在Chem. Soc. Rev.上發表了一篇關于光致變色的綜述。在這篇文章中,研究者綜述了光致變色材料的結構和功能以及可逆光控納米技術原理及其應用的近期進展。具體討論了這類先進材料的重要設計概念,并且強調了它們的制備方法,著重介紹了它們的應用。最后簡要概述了該領域還需要解決的挑戰和以及可開發的潛力。

                          7.Acc. Chem. Res.綜述:“巨型”半導體納米晶的結構/性能關系:光子學和電子學領域的機遇

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                    圖7:巨型量子點的光致發光

                          半導體納米晶表現出了許多優異的性能,如:尺寸調控吸收峰和發射峰、高吸收系數和高光致發光量子產率。量子點(QDs)可以通過生長另一種半導體材料的外殼來實現有效的表面鈍化,這種核殼量子點結構被認為是最有效的模型系統。比如可以在量子點上生長厚厚的外殼(1.5到數十納米),以產生“巨型”量子點(g-QDs)。這種巨型結構可以擴大吸收光譜和發射光譜的光譜分離,改善光生載流子與表面缺陷的隔離,提高電荷載流子壽命和遷移率。然而,大多數穩定的系統受到一個厚殼層的限制,強烈地吸收低于500 nm的輻射,覆蓋了紫外線和可見光的一部分。另外,g-QDs的帶隙和能帶對準可以通過適當的成分選擇來進行調控。在大多數情況下,電子和空穴的準Ⅱ型局域化機制已經實現。在這種類型的量子點中,電子可以泄漏到殼層區域,而空穴仍然局限在核心區域。這種電子空穴的空間分布有利于光電子器件在保持良好穩定性的同時,有效地實現了電子空穴的分離。

                          近日,電子科技大學Federico Rosei教授、王志明教授和青島大學趙海光教授(共同通訊作者)等人在Acc. Chem. Res.上發表了一篇關于“巨型”納米晶量子點的綜述。本文對膠體g-QDS的結構進行了總結,通過濕法化學合成對其光電性能進行了精細調整,描述了其電子和空穴定位以及電荷動力學。這對g-QDS的光學和電學行為有著深刻的影響。此外研究者重點突出了優化結構的潛力,這可以顯著提高g-QD光電器件的效率和穩定性。

                          8.Acc. Chem. Res.綜述:鋰離子電池中層狀鋰過渡金屬氧化物正極材料的電化學特性:表面、本體行為和熱學性質

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                    圖8:鋰離子電池示意圖與電極材料

                          層狀鋰過渡金屬氧化物,特別是NMCs (LiNixCoyMnzO2),是一種具有提高能量密度和壽命、降低成本、提高電動汽車和電網存儲安全性的重要鋰離子電池正極材料。研究者主要通過包括改變材料組分,陽離子替代等策略來提升電極材料的性能。并且通過了解這些策略對材料表面和體積的影響及其相關的結構-性能關系,來提升對NMCs材料的理解。

                          近日,勞倫斯伯克利國家實驗室的Marca M. Doeff教授(通訊作者)等人在Acc. Chem. Res.上發表了一篇關于鋰過渡金屬氧化物鋰離子負極材料的綜述。該綜述首先將廣泛用于商業化電池的NMCs與同結構的LiCoO2正極進行比。并且簡要討論了改變金屬含量(Ni,Mn,Co)對NMCS結構和性能的影響。

                     

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