化学进展杂志

化学进展杂志2026年第3期

• 单团簇器件的精准构筑及其光电应用

  季淑蕊, 李倩茹, 朱墨书棋, 姚桥峰, 胡文平

  金属纳米团簇凭借其原子级精准的结构、独特的量子效应和可调控的光电特性，已成为连接离散分子与宏观物质的关键桥梁。作为下一代高性能光电器件的核心材料，深入理解金属纳米团簇构效关系是实现功能器件按需设计的关键。然而，传统的表征技术大多聚焦于团簇集体行为的宏观呈现，难以在原子水平上实现对单团簇构效关系的精准关联，严重制约着金属纳米团簇材料在原子级精度制造和功能集成方面的发展。近年来随着单分子电子学的发展，单团簇电子器件迅速崛起，避免了传统宏观器件中因结构不均一和平均效应导致的构效关系模糊等问题，为在单团簇尺度下研究金属纳米材料的本征电子结构及量子输运行为提供了理想的平台。本文聚焦于单金属纳米团簇器件研究，系统总结了功能化金属纳米团簇精准合成、单团簇器件的制备方法、单团簇器件电输运行为、单团簇器件功能化应用等方面的研究进展。最后，本文还探讨了单团簇器件进一步发展面临的关键挑战，为未来原子精准纳米器件的设计提供参考。

• 层状Zn3In2S6基纳米材料用于光催化产氢

  王凤琴, 张亿, 汪洋, Muhammad Tayyab, 孟苏刚

  光催化水分解制氢被认为是缓解全球能源危机、减轻环境污染的最具潜力的方案之一。Zn3In2S6（ZIS）作为典型的具有层状结构的三元硫族化合物半导体，凭借其适宜的能带结构、优异的可见光响应能力及丰富的表面活性位点，在光催化产氢领域备受关注。本文系统总结了ZIS基纳米材料在光催化产氢中的最新研究进展：首先，详细阐述了ZIS的基本特性，包括六方层状晶体结构、能带特征，以及以光生载流子分离迁移为核心的光催化产氢机理；其次，重点聚焦ZIS基纳米材料在不同光催化产氢体系中的应用进展，包括全解水体系（通过S型异质结实现高效载流子分离）、牺牲剂体系（利用乳酸、甲酸、三乙醇胺等优化空穴消耗路径以提升效率）、双功能耦合反应体系（涵盖有机污染物降解耦合产氢、苯甲醇与5-羟甲基糠醛等醇类选择性氧化耦合产氢、过氧化氢合成耦合产氢），并针对各体系的反应机理、优劣势、性能优化策略（如异质结构建、助催化剂负载、缺陷工程）及技术经济性展开对比分析；最后，探讨了ZIS基光催化材料当前面临的挑战（尤其在双功能耦合体系中，有机氧化选择性有限、催化剂失活、产物分离复杂等问题），并提出未来发展方向，包括原子级分散助催化剂设计、基于先进表征技术的原位机理研究、与废水处理等实际应用场景的结合。本文为高性能ZIS基光催化产氢材料的合理设计与进一步发展提供了系统性参考。

• 甲烷低温电氧化催化剂研究进展

  蒋世玉, 蒋佳欣, 熊浩森, 尚书勇, 贺格, 张强

  本文总结了甲烷低温电氧化法（CH4OR）催化剂制备高附加值化学品过程面临的挑战和研究进展。工业上，常见的甲烷高温重整方法，能耗高且操作条件苛刻，甲烷易过度氧化或积碳，不利于绿色低碳发展。CH4OR方法能够在温和条件下实现甲烷的高效转化，并与可再生能源兼容，在波动性清洁能源储存转化与甲烷高效利用方面兼具优势。目前，针对CH4OR的研究比较多，主要集中在开发高活性、高稳定性和高选择性的电催化剂方面。本文从CH4OR过程中C—H键活化的活性氧活化直接途径、自由基介导的间接路径的两类主要反应机制出发，梳理了CH4OR催化剂的研究进展和未来发展方向。

• 金属-载体相互作用用于电催化分解水

  袁奥杰, 刘欢, 胡丹阳, 兰琳, 陈龙

  金属-载体相互作用（MSIs）在水分解催化剂的设计与优化中起着至关重要的作用。本综述构建了一个涵盖从理论基础到水分解应用的MSIs研究综合框架。文中阐明了MSIs的基本概念及其历史演变，并基于其理化性质提出了分类体系。在此基础上，本文深入探讨了各类MSIs的形成机制，并系统总结了用于分析其电子结构和界面性质的先进表征技术。此外，本文还探讨了支撑体性质、金属形态及制备条件如何共同决定MSIs的强度与相互作用模式。专门的一节介绍了增强策略，总结了近期通过缺陷工程、界面设计和动态调控来增强MSIs效应的方法。文中全面讨论了MSIs调控在析氢反应（HER）、析氧反应（OER）及整体水分解（OWS）中的应用，并阐述了相应的活性增强机制。此外，还概述了该领域在原子级精确控制、运行条件表征及大规模应用方面的挑战与未来发展方向。

• 聚合物基电解质在固态锂空气电池中的应用与挑战

  熊薇, 郑幸子, 袁萌伟

  锂空气电池因其极高的理论能量密度，是潜在的下一代电化学储能装置。然而，液态电解质固有的问题，如可燃性和锂枝晶的不可控生长，严重限制了锂空气电池的安全性和实际应用。因此，开发兼具高安全性、良好机械性能和良好界面相容性的聚合物电解质，是实现实用固态锂空气电池的关键途径。本文综述了固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质和复合聚合物电解质三类聚合物电解质在锂空气电池中的基本特性、制备方法及性能；重点阐述了活性和惰性填料在改善聚合物-填料界面、增强离子传输和机械强度以及加强界面稳定性方面的作用和机制；最后总结了当前主要的挑战，并提出了未来的研究方向，旨在推动固态锂空气电池系统的集成和工程应用，以实现高能量密度和长循环寿命。

• 导电水凝胶柔性力学传感器：材料设计、性能机制与多功能应用

  冯智萍, 向晨星, 邱宥然, 何强

  柔性力学传感器在健康监测、人体运动追踪、电子皮肤及人机交互等领域具有广泛应用前景，已成为柔性电子与可穿戴设备研究的热点之一。水凝胶因其优异的拉伸性、柔韧性和生物相容性，能够与人体组织或表皮紧密贴合，实现稳定信号采集，被视为构建柔性传感器的理想材料之一。近年来，通过引入不同的导电物质，研究人员开发出多种导电水凝胶，推动了柔性力学传感器的多功能化发展。本文综述了导电水凝胶在柔性力学传感器中的最新进展，重点探讨导电纳米填料、离子添加剂或导电聚合物等构建材料和水凝胶性能特性，并根据不同导电机理（电阻式、电容式、压电式以及摩擦电式）对导电水凝胶柔性力学传感器进行分类总结。同时，分析了柔性力学传感器在不同实际场景中的应用潜力，最后展望了该领域面临的关键挑战与未来发展方向。

• 金属-有机框架材料作为下一代化学电阻传感器：从基础设计到高级应用

  沙扎德, 王凡, 孙鹏宇, 周梓涵, 陆晓晶, 杜俊, 黄家锐

  精准、实时的传感技术是推动健康诊断、环境监测及工业安全领域发展的重要基础。然而，金属氧化物、导电聚合物和碳基复合材料等传统传感材料，受限于灵敏度、选择性与工作稳定性之间的固有制约关系。为突破上述局限，金属-有机框架（MOFs）作为一类革新性材料应运而生，其具备无可比拟的结构可调控性、超高比表面积以及可调控的孔道化学特性。本综述对金属-有机框架基化学电阻型传感器展开深入分析，不再局限于简单罗列相关实例，而是从机理层面揭示分子尺度设计对传感性能的调控机制。本文系统梳理了传感材料从导电性较差的原始金属-有机框架，到与石墨烯、碳纳米管、聚合物等导电填料复合形成的先进复合材料，再到衍生多孔碳与金属氧化物材料的发展脉络。针对各类材料，本文均进行了严谨分析，进而梳理出攻克其在导电性、响应动力学及长期稳定性方面固有缺陷的策略。本综述的结构体系可引导该领域研究者，从基础设计原理与电荷传输机制出发，围绕灵敏度、检测限、选择性、响应/恢复时间等核心指标开展性能对标。综述重点关注金属-有机框架在下一代应用场景的集成，涵盖柔性可穿戴电子器件、多参数传感器阵列，以及依托人工智能实现模式识别与漂移补偿的智能系统。此外，本文还针对阻碍金属有机框架实际应用的关键挑战进行了批判性探讨，包括材料的水热/化学稳定性、可穿戴设备所需的机械强度，以及建立标准化测试规程的迫切需求。本综述通过整合基础研究与前沿应用的相关见解，不仅为金属-有机框架基传感器的合理设计提供了指引，更给出了前瞻性展望，为充分挖掘金属-有机框架的潜力、开发兼具智能化、可靠性与商业化价值的新一代化学电阻型传感技术绘制了清晰的技术路线图。

• 光电化学生物传感器中的信号放大机制：从光电转换到信号输出

  龙思甜, 朱海兵, 杜宇宸, 薛亚东, 李娟, 杨占军

  光电化学（PEC）生物传感器作为一种新兴的分析平台，由于其固有的激发源与检测信号分离特性，具有背景信号低、灵敏度高、操作简便等显著优势。实现高性能PEC生物传感器的关键在于开发高效的信号放大策略。本文系统地综述了PEC生物传感器信号放大机制的最新研究进展。光电转换是PEC传感的基础，主要涉及光捕获、电荷载流子分离和界面反应3个基本过程。基于此，本文从光电转换的核心过程到信号输出设计的角度，回顾了目前主流的信号放大机制；同时，深入研究了这些机制的设计原理和特性；最后，还探讨了PEC传感技术面临的挑战，并展望了未来的发展趋势，为高性能PEC生物传感器的合理设计提供理论指导，并促进其在分析应用中的进一步发展。

• 面向可持续农业的温室气体在线监测：半导体传感技术的角色与前景

  杨坤梅, 朱秉臣, 徐瑁婕, 颜佳, 许晖, 宋志龙

  农业活动是甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、二氧化碳（CO2）等温室气体的重要排放源。对这些气体实现连续、实时与大范围在线监测，是推进可持续农业和应对气候变化的关键手段。尽管红外光谱、电化学等监测技术在精度和选择性方面已有较为成熟的表现，但其高成本、能耗与复杂部署方式限制了在农业场景中的普及应用。本综述指出，半导体气体传感器凭借其低成本、易集成、适合大规模布设以及可与物联网深度融合等优势，正在成为构建未来农业监测网络的理想核心技术。文章系统梳理了通过纳米材料调控、异质结构建、催化与表面工程以及信号处理算法融合等策略提升半导体传感器灵敏度、选择性与稳定性的最新研究进展。同时，深入分析了其在畜牧管理、土壤监测等真实农业环境中的环境干扰、湿度影响、交叉响应与长期稳定性等实际挑战。最后，展望了半导体气体传感器在农业领域的发展趋势：传感材料智能化设计、传感节点与物联网的高度集成、多气体协同监测、以及基于人工智能的气体识别与排放模型构建，将共同推动形成集精准监测、智能决策与生态管理于一体的未来智慧农业系统。

• 元素掺杂碳点在多模态生物成像中的应用进展

  刘志宏, 梁发琪, 黄启同, 胡水生, 林小凤, 曾卫佳

  碳点（Carbon dots， CDs）作为一种新兴的零维碳纳米材料，凭借其独特的光致发光特性、优异的生物相容性以及低毒性，在生物医学成像领域展现出广阔的应用前景。本综述系统总结了CDs作为双模态或多模态探针在计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和荧光成像（FL）中的研究进展，重点分析了金属离子和杂原子掺杂对CDs物理化学性质的协同影响，特别是对其光学、磁学及 X 射线衰减特性的作用。研究表明，元素掺杂和表面功能化能够显著增强多模态成像性能。例如，金属离子或杂原子的掺杂可有效提高 MRI/FL 双模态成像中的弛豫率，并改善CT/FL双模态成像中的X射线衰减性能。此外，部分基于CDs的纳米材料已成功实现MRI/CT/FL三模态成像，为精准医学提供了新的解决方案。尽管目前的研究取得了一定进展，但CDs基多模态探针仍面临诸多挑战，如多模态性能的不平衡和缺乏全面的长期生物安全性评估。未来，CDs多模态探针的临床转化将需要进一步优化材料设计，并实施标准化的毒理学评估。这些努力将有力推动疾病诊断与治疗的进步。

• 自增强电化学发光：构建原理及生物分析和环境传感中的应用

  杜芳昕, 刘根

  自增强电化学发光（SEECL）作为一种新兴分析技术，通过将发光体与共反应剂集成到统一纳米结构或分子框架中，显著提升电化学发光效率，在生物分析和环境传感领域展现出重要价值。根据发光体与共反应剂的整合方式，SEECL构造可分为共价键合和非共价键合两类。共价键合类可分为无机、有机及纳米共价键合SEECL体系，非共价键合类则包括纳米载体封装、自组装及金属-有机框架基等SEECL结构。本文在总结SEECL构建原理的基础上，归纳了SEECL在生物分析（蛋白类标志物检测、核酸分析及酶活性监测）、环境传感（重金属离子和有机污染物的痕量检测）及食品安全检测、可穿戴设备、即时检测等领域的应用，阐述了SEECL材料稳定性、生物相容性及复杂基质干扰等中尚待解决的问题，并展望了其未来的发展方向，为SEECL后续研究提供参考。