NML综述 | 非对称碳基和硅基纳米材料的合成策略及其多功能应用

3. 提出了非对称碳基和氧化硅基纳米材料的发展前景和面临的挑战。

与传统的对称结构相比，多功能性是非对称结构的主要优点之一。由于不同的表面理化性质或不同的成分，非对称纳米粒子可以同时具有多种不同的性质，如亲水性和疏水性、光学和磁性等。此外，非对称结构通常表现出更大的有效表面积和更多的活性位点，这对材料的性能至关重要。另一方面，更强的协同效应是其另一个优势。与传统的核壳对称结构相比，非对称结构的不同区域可以相互独立工作而互不干扰，甚至可以相互协同发挥作用，从而显著改善性能。

II 非对称碳基纳米材料的设计原理和合成策略

二氧化硅纳米粒子通常是通过成熟的“溶胶-凝胶”化学方法合成的。通过调节反应体系中界面的相互作用，可以制备出纯的非对称二氧化硅纳米粒子。而非对称二氧化硅基纳米材料可以通过在不同种子上的各向异性成核和生长得到。

IV 非对称碳和二氧化硅基纳米材料的应用

图6. 非对称结构在二次电池中的应用：(a) 非对称纯碳材料在钾离子电池中的应用，(b) 非对称SnO₂@C复合材料在锂离子电池中的应用，(c) 非对称MoSe₂/C复合材料在钾离子电池中的应用。

图7. 非对称结构在催化中的应用：(a) 非对称结构的Co/氮掺杂碳颗粒在氧还原反应中的应用，(b) 用于ORR的Fe嵌入多孔碳纳米碗，(c) SiO₂@PDVB/PS Janus颗粒在两相催化反应中的应用，(d) 空间隔离的氧化硅-碳配合物在两相催化反应中的应用。

图8. 非对称结构在生物医学中的应用：(a) PEG-Au-PAA/mSiO₂-LA Janus NPs用于协同靶向和化学光热治疗，(b) 非对称结构用于药物输送，(c) 用于双重药物递送非对称二氧化硅纳米复合材料，(d) 基于MSNs的自驱动纳米马达。

图9. 非对称结构在其他方面的应用：(a) Janus-Au介孔氧化硅纳米颗粒在逻辑门中的应用，(b) Janus粒子在传感器中的应用。

V 总结和展望

(1) 探索简单高效、可规模化制备的低成本合成策略。目前关于非对称结构的制备技术仍存在一些缺点。例如，硬模板法制备过程繁琐，导致成本较高；碳基非对称结构主要局限于简单的碗状结构；单次产品收率偏低等。因此，开发简单高效、低成本且大规模的制备工艺对于非对称纳米材料具有重要意义。

(2) 深入了解非对称纳米材料的生长过程和形成机理。受限于目前的表征方法和合成技术，虽然已初步达成了共识，但很多形成机理仍不清楚。因此，可通过先进的原位/非原位表征技术，全面观察和分析材料的生长过程。同时，对形成机制的深入了解也将有助于以可控的方式更好地调节材料的结构和组成。此外，随着计算机科学的飞速发展，可以通过理论模和材料基因等来预测一些新结构或新方法，这可为设计一些新颖独特的非对称结构提供理论指导。

(3) 功能导向的定制化制备技术应成为未来研究的重点。通过建立理论模型，系统地研究颗粒尺寸、组成、结构和其他因素对其性能的影响，进一步探索结构与性能的内在关系，更好地服务于非对称结构的设计。另一方面，设计定制的非对称结构以满足特定的应用需求也很重要。例如，对于能量存储和转换的应用，通常要求材料具有更大的有效比表面、更高的堆积密度、更好的导电性和结构稳定性；在生物医学应用方面，需要制备尺寸小、生物相容性好、内外表面易功能化的非对称结构等。