超級材料研發獲突破!深圳先進院製備「黑磷」實現量級增長

2020-12-03 騰訊網

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。

團隊製備的黑磷晶體

近日，中科院深圳先進院王佳宏博士告訴記者，在喻學峰研究員帶領下，團隊實現了黑磷晶體產量單管千倍的增長，為開發更多「殺手鐧」應用打下了基礎。

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度；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。」

按住躁動的「磷原子」 轉化二維黑磷缺陷

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」

除了不斷調控材料結構、提升材料性能外，王佳宏也從應用端出發，探索黑磷在光電催化與光電器件中的新應用。他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他的主要研究方向之一。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。他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。

王佳宏團隊照片

「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。

【記者】杜豔

【作者】 杜豔

【來源】 南方報業傳媒集團南方+客戶端

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