近三年National Science Review最佳论文奖材料类盘点

《国家科学评论》的编辑委员会每年会评出5-10篇论文作为年度最佳论文奖，肯定以及表彰获奖者的研究成果及其在潜在影响方面的重要贡献。以下是2018-2020年的材料类获奖论文汇总。

1 电化学电容器的赝电容材料：从合理合成到电容优化

Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors: from rational synthesis to capacitance optimization

电化学电容器（EC）是重要的储能设备之一，但其能量密度较低。增加EC的能量密度的一种方法是从碳基双电层电容器转移到赝电容器，赝电容器表现出更高的电容。然而，与碳材料相比，赝电容电极的电子离子转移电阻较高，极大地限制了它们的容量，倍率能力和可循环性。电极材料的合理设计为优化其电化学性能提供了机会，从而使设备具有高能量密度，同时又保持了高功率密度。本文综述了各种致力于改善电极能量和功率密度的电极方法。

图1. 不同能量存储设备具有特定能量和功率的Ragone图

当金属离子在远远高于其氧化还原电势的另一种金属表面上形成单吸附层时，就会发生欠电势沉积。氧化还原反应是一种“表面电荷存储”过程，通过离子在表面上/附近的电化学吸附以及在氧化还原活性位点的连续电子转移来实现。金属氧化物，金属硫化物，金属氮化物，金属氢氧化物和导电聚合物是常见的赝电容材料。插层赝电容是基于层中电活性物质的插入而没有结晶相变。在这种情况下，研究最多的插层式电极包括V₂O₅，Nb₂O₅等。氧化还原和插层赝电容在PC设计中被频繁利用。值得注意的是，这两个法拉第过程都显示出非常快的充电/放电速率，而没有扩散限制。这是与电池最明显的区别，后者受固态扩散的限制，并且速率能力较差。

图2. 产生赝电容的不同类型的可逆氧化还原机制：（a）欠电势沉积，（b）氧化还原赝电容和（c）插层赝电容。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/4/1/71/2615251

2. 可见光驱动的有机反应的最新进展

Recent advances in visible-light-driven organic reactions

近年来，由于社会对环保绿色化学合成的高度重视，可见光驱动的有机反应正在经历重大的复兴。使用廉价，易得的可见光源进行转换是一种激活小分子的强大策略，正处于有机化学研究的最前沿。在这篇综述关注于可见光驱动的有机反应发展的最新进展，包括有氧氧化，析氢反应，能量转移反应和不对称反应。

图3. 可见光照射驱动增值转换的策略概述

尽管已经取得了极大的进步，作者仍认为在可见光驱动的转换领域仍存在许多令人兴奋的机遇和挑战。例如，可见光驱动反应可控度较低，大多数情况下，反应的量子产率非常低。某些双重催化反应的机理尚不清楚；并且中间介导在光反应中的化学选择性和其短寿命对于工业过程而言不能令人满意的。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/4/3/359/3192218

3 石墨烯材料的量产和工业应用

Mass production and industrial applications of graphene materials

基于近十年来在物理，化学，材料科学与工程以及生物学领域的大量实验室规模研究，石墨烯被认为是一种有前途的工业应用材料。因此，许多公司已经开始寻求以吨级（用于片状材料）或数十万平方米（用于膜材料）的规模用于工业应用的石墨烯材料。尽管石墨烯产业仍处于起步阶段，但在大规模生产和某些工业应用方面取得了非常显著的进步。这篇综述简要介绍了一些工业应用中石墨烯材料的批量生产，并总结了市场上石墨烯的一些特性或面临的挑战。

图4. （a）第六元素材料技术有限公司的石墨烯粉生产线。（b）无锡石墨烯薄膜有限公司的石墨烯膜生产线

制备方法方面着重介绍了化学气相沉积法，然后又介绍了石墨烯材料在市场上的一些商业应用：电池电极材料的导电添加剂、防腐底漆中的添加剂、散热膜的前体、触摸屏和加热器。

图5. （a）应用于海上风力涡轮机设备的石墨烯基防腐涂料；（b）由氧化石墨烯制成的导热膜。 （c）带有由CVD石墨烯薄膜制成的双边缘弯曲触摸传感器的手链；（d）具有由CVD石墨烯基成分制成的加热功能的服装；（e）掺杂石墨烯的橡胶轮胎；（f）用于触摸面板的CVD石墨烯薄膜。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/5/1/90/3861355

4 化学方法精确控制分离的单中心催化剂的最新进展

Recent advances in the precise control of isolated single-site catalysts by chemical methods

在化学领域，寻求构建高性能催化剂是一个永恒的课题。近几年单原子催化剂（SAC）的合成及其在催化系统中的应用实现了许多突破。它们显示出优异的活性，选择性，稳定性，高的原子利用率，并且可以充当均相和异相催化之间的有效桥梁。当前，大多数SAC是通过自下而上的策略来合成的。但是，不可避免地会遇到诸如难以大规模生产和难以控制均一的配位环境等缺点，从而限制了它们在工业领域的潜在用途。近期也已经有自上而下的策略来制造SAC能够解决这些实际问题，金属负载可以增加到5％，并且还可以精确控制配位环境。这篇综述着重介绍了SAC进行化学合成以应对各种化学反应的方法，特别是在改善SAC的质量活性和明确定义的局部结构方面的最新进展，也讨论了SAC的挑战和机遇。

图6. SAC合成的自下而上和自上而下策略的示意图

自下而上法：共沉淀法，吸附法，电流置换法；自上而下法：高温热解法、高温原子迁移法。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/5/5/673/5026635

5 控制金属有机框架的灵活性

Controlling flexibility of metal–organic frameworks

框架的灵活性是金属有机框架（MOF）的最重要特征之一，它不仅有趣，而且对多种应用也很有用。与静态结构特征（例如框架拓扑和孔大小/形状）相比，设计、定制或控制MOF的框架灵活性要困难得多。然而，在深入了解框架灵活性与主体框架结构，客体分子负载以及其他方面（如晶体大小/形态和外部物理环境）之间的关系之后，研究者们已开发出一些策略来控制MOF的灵活性以及相应的属性，本综述中对此进行了总结和讨论。

图7. 控制MOF的灵活性：从观察对不同外部刺激的不同结构响应到调整对给定外部刺激的结构响应

介绍了通过框架设计、通过客体分子和其他（温度控制、缩小晶体尺寸等）三种控制框架灵活性的方式。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/5/6/907/4554789

6 自旋电子材料的第一性原理设计

First-principles design of spintronics materials

自旋电子学是最有前途的下一代信息技术之一，它利用电子的自旋作为信息载体，并具有加速数据处理，高电路集成密度和低能耗的潜在优势。然而，自旋电子学面临许多挑战，包括自旋产生和注入，长距离自旋传输以及自旋取向的操纵和检测。为了解决这些问题，陆续提出了新的概念和自旋电子材料，例如半金属，自旋无间隙半导体和双极磁性半导体。拓扑绝缘子也可以看作是自旋电子学的一类特殊材料，其表面状态用于纯自旋的产生和传输。在设计这些自旋电子学材料时，第一性原理计算起着非常重要的作用。本综述试图简要回顾这些材料的基本原理和理论设计。同时也介绍了基于反铁磁石反铁磁自旋电子学给予了关注。

图8. （a）自旋电子材料的分类；（b）由不同自旋电子材料组成的自旋电子电路的示意图。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/3/3/365/2236578

7 基于转化反应的可充电锂金属电池的研究进展

Progress of rechargeable lithium metal batteries based on conversion reactions

综述重点研究了新开发的可充电锂电池的转化反应，例如锂硫电池和锂氧电池。全面讨论了两种类型电池的基本电化学原理和最新进展。Li-S和Li-O₂转换电化学中的关键问题以及相应的改进策略，阐明合理设计电池以达到最佳性能的目的。

图9. 基于cyclo-S8的Li–S电池的电化学：μ_S，μ_Li2S和μ_Li分别表示S，Li₂S和Li的化学势，LUMO和HOMO是电解质的最低未占据分子和最高占据分子轨道的简称。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/4/1/54/2615255

8 碳基超级电容器的有效储能

Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage

现代电子设备的发展在很大程度上取决于拥有高能量密度和功率密度的高效能源装置。在这方面，超级电容器显示出巨大的希望。由于独特的层级结构，出色的电力和机械性能以及高比表面积，碳纳米材料（尤其是碳纳米管，石墨烯，中孔碳及其杂化物）已被广泛用作超级电容器中的高效电极材料。这篇综述总结了基于碳纳米材料的高性能超级电容器的进展，重点是电极结构的设计和制造以及电荷存储机制的阐明。还讨论了基于碳的柔性和可拉伸超级电容器在各种潜在应用中的最新发展，包括集成能源，自供电传感器和可穿戴电子设备。

图10. （a）双电层电容器（EDLC），（b）赝电容电容器（PC）和（c）混合超级电容器（HSC）的示意图

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/4/3/453/3058971

本文由春春供稿。