超級材料研發取得突破

2020-11-04 光明網

王佳宏在實驗室做研究。

王佳宏團隊成員

先進院製備的黑磷晶體

以石墨烯為代表的二維材料，被譽為21世紀的超級材料，有望發展成為下一個萬億級的產業。2014年，黑磷成為二維材料領域的一匹「黑馬」，它的橫空出世迅速引發關注。從電晶體、光電子器件，再到催化、能源、生物醫學等領域，黑磷展現出廣闊應用前景。

究竟科研人員是如何馴服黑磷這匹「黑馬」的？未來這匹「黑馬」是否能變成「天馬」帶我們實現那些行空的想像？近日，中國科學院深圳先進技術研究院製備黑磷晶體產量實現了單管四個數量級的增長。為此，記者採訪了該院的副研究員王佳宏。四年前，剛剛從武漢大學博士畢業的王佳宏加入先進院喻學鋒科研團隊，如今黑磷這匹「黑馬」在他們手中正在逐漸被馴服。

文、圖/廣州日報全媒體記者王納 通訊員嚴偲偲

規模化製備實現量級突破

要想黑磷替代傳統磷資源成為工業中的「主角」，規模化製備是最基礎也是最關鍵的一步。據王佳宏回憶，早期重複前人的製備方法，單次產量還不到0.5克。

「氣壓太大，投料量大了容易炸管。」王佳宏介紹，黑磷的規模化製備難點主要有三方面：一是溫度高，最高生長溫度超過600℃；二是壓力大，當原料充分揮發時產生的壓力超過十兆帕甚至更多；三是腐蝕性強，反應過程中產生的蒸汽容易導致器壁損壞。

從2016年到深圳先進院工作的四年裡，王佳宏帶領團隊解析化學氣相傳輸機制，發掘新的反應機理，持續優化工藝參數，成功解決了系列科學問題和工程問題，產量單管單次實現了四個數量級的增長。目前工藝流程基本走通，這意味著黑磷晶體規模化製備的實驗室部分將告一段落，下一步將進入和產業結合更密切的中試階段。然而，對這樣的成績王佳宏並不滿意，「我們還是很期待能有更理想的工藝，比如磷礦石被還原成磷蒸汽後，我們能將磷蒸汽直接轉化成黑磷。」

如何按住躁動的「磷原子」

二維黑磷具有大比表面積、帶隙調控等優勢，但是黑磷上面的孤對電子和缺陷使其在水氧條件下容易發生分解、性能下降，極大地限制了黑磷的發展和應用。

「我們發現二維黑磷的邊緣缺陷比較多，容易被氧化，一旦氧化後會進一步加劇它的不穩定性。」王佳宏介紹稱，「黑磷邊緣之所以容易被破壞，正是由於孤對電子和懸掛鍵太活潑。」

針對該問題，王佳宏採用構造「異質結」的方法，將黑磷破損的邊緣「補」起來。具體而言，利用邊緣或缺陷處磷原子的還原性，將其原位轉化為較穩定的金屬磷化物。進行了系列元素和反應條件的嘗試以後，王佳宏發現鈷和磷的作用較強，而且該異質結同時兼具很好的電催化全分解水的性能。

「補齊破損的邊緣和缺陷後，材料的電化學穩定性與電化學活性均大幅提升，有效地拓展了黑磷在能源化學轉化相關領域的應用。」該成果發表於材料化學領域的頂級刊物《德國應用化學》。

「不只上書架，還要上貨架」

黑磷這種超級材料有什麼用？也是普羅大眾關心的話題。

王佳宏和他的同事們也從應用端出發，在不斷地探索黑磷在光電催化與光電器件中的新應用。王佳宏告訴記者，可以將材料研發形容為電源，功能應用比喻為燈泡，在他看來，電源是基礎，而燈泡的發光發熱才能將電源的能量釋放出來。

黑磷在新能源中的應用是目前研究方向之一。以工農業生產中的重要化學原料「氨」為例，傳統的哈伯法合成氨不僅耗能高，且伴隨著大量的溫室氣體排放。採用黑磷作為催化劑，人工構造無機仿生固氮酶，直接將氮氣和水轉化為氨。王佳宏所在團隊同時還在探索其他類黑磷材料、具有二維單元結構材料在氫能、環境治理中的應用。

由於在黑磷材料領域的前瞻布局，王佳宏所在團隊於2016年獲得湖北興發集團2500萬元投資，合作開發磷化工的高端產業應用。目前雙方已進入中試平臺搭建，相信很快能夠交出一份滿意的答卷。

「作為科研人員，我始終希望自己的工作不只能上書架，還可以上貨架。」王佳宏表示，開放的學術氛圍、靈活的機制、與產業界密切的結合是他選擇深圳先進院深造發展的重要原因；也期望未來繼續發展更「硬核」的技術，為黑磷等新材料找到不可替代的「殺手鐧」應用。

來源： 廣州日報

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