中國科大在少層黑磷的化學功能化及穩定性研究方面取得進展
2020-12-06 中國科學院近日，中國科學技術大學教授楊上峰、楊金龍、季恆星等課題組合作，在少層黑磷的化學功能化及穩定性研究方面取得新進展。他們通過疊氮化合物與少層黑磷納米片反應，成功實現了五配位共價功能化少層黑磷納米片，顯著提高了其在水中的穩定性，效果優於文獻中報導的其他化學功能化方法。相關研究成果於12月10日在線發表在國際學術期刊《德國應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018,10.1002/anie.201813218）。
少層黑磷作為一種新型二維材料，具有帶隙隨層數可調、載流子遷移率高的特點，在能量轉換和存儲、催化、生物醫藥等領域有著重要的應用前景。但是，由於第五主族的磷原子上存在孤對電子，導致少層黑磷納米片（BPNSs）很容易被氧化降解，其在空氣及水環境中穩定性差的問題嚴重製約了黑磷的應用。因此如何提高黑磷的穩定性是當前黑磷材料研究急需解決的問題。共價功能化是目前成功用於鈍化高反應活性的BPNSs的一種非常重要的方法，然而目前文獻中報導的共價功能化方法僅限於通過重氮鹽功能化或親核加成反應形成P-C或P-O-C單鍵，雖然可以提高BPNSs的穩定性，但反應後的磷原子為四配位結構，仍然存在一個未配位的單電子，必然制約了其鈍化效果。因此，發展新的共價功能化BPNSs的方法從而實現更好的鈍化效果是非常必要的。
研究人員通過將BPNSs與疊氮化合物反應，成功地在黑磷上加成了P=N雙鍵，獲得了氮雜苯甲酸修飾的黑磷納米片（f-BPNSs）。有趣的是，通過跟蹤該反應進程，他們發現開始反應階段形成了兩種產物（分別為加成了P=N雙鍵和P-N單鍵的產物），隨著反應的進行，P-N單鍵的加成產物逐漸向P=N雙鍵的加成產物轉化，最終產物為P=N雙鍵的加成產物。隨後，他們利用紫外-可見光譜跟蹤了f-BPNSs以及原始的BPNSs在水中（無脫氧條件下）放置21天的衰減情況，發現f-BPNSs在水中的穩定性提高了約12倍，而且比文獻中報導的重氮鹽功能化的鈍化效果也提高了約4.7倍。其原因在於在磷原子上加成了P=N雙鍵後，磷原子為五配位的配位飽和態，孤對電子得以完全成鍵，因此鈍化效果優於文獻中報導的基於四配位磷原子的重氮鹽功能化方法。該結果證實了通過五配位共價功能化的策略可以實現更好的穩定BPNSs的效果，加深了對黑磷的化學性質的認識，為黑磷的實際應用奠定了基礎。
合肥微尺度物質科學國家研究中心博士生劉亞娟為該論文的第一作者，楊上峰、楊金龍、季恆星為共同通訊作者。該項研究得到科技部、國家自然科學基金委和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
文章連結
圖1. f-BPNSs的合成路線
圖2. f-BPNSs以及原始的BPNSs在水中放置21天後460 nm處的吸光度的衰減值(a)以及衰減速率(b)
近日，中國科學技術大學教授楊上峰、楊金龍、季恆星等課題組合作，在少層黑磷的化學功能化及穩定性研究方面取得新進展。他們通過疊氮化合物與少層黑磷納米片反應，成功實現了五配位共價功能化少層黑磷納米片，顯著提高了其在水中的穩定性，效果優於文獻中報導的其他化學功能化方法。相關研究成果於12月10日在線發表在國際學術期刊《德國應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018,10.1002/anie.201813218）。
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研究人員通過將BPNSs與疊氮化合物反應，成功地在黑磷上加成了P=N雙鍵，獲得了氮雜苯甲酸修飾的黑磷納米片（f-BPNSs）。有趣的是，通過跟蹤該反應進程，他們發現開始反應階段形成了兩種產物（分別為加成了P=N雙鍵和P-N單鍵的產物），隨著反應的進行，P-N單鍵的加成產物逐漸向P=N雙鍵的加成產物轉化，最終產物為P=N雙鍵的加成產物。隨後，他們利用紫外-可見光譜跟蹤了f-BPNSs以及原始的BPNSs在水中（無脫氧條件下）放置21天的衰減情況，發現f-BPNSs在水中的穩定性提高了約12倍，而且比文獻中報導的重氮鹽功能化的鈍化效果也提高了約4.7倍。其原因在於在磷原子上加成了P=N雙鍵後，磷原子為五配位的配位飽和態，孤對電子得以完全成鍵，因此鈍化效果優於文獻中報導的基於四配位磷原子的重氮鹽功能化方法。該結果證實了通過五配位共價功能化的策略可以實現更好的穩定BPNSs的效果，加深了對黑磷的化學性質的認識，為黑磷的實際應用奠定了基礎。
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