团队制备的黑磷晶体。深圳先进院供图

近年来,以石墨烯为代表的新材料蓬勃发展,二维黑磷作为一种直接带隙半导体迅速成为一匹“黑马”。四年前,刚刚从武汉大学博士毕业的王佳宏对黑磷还十分陌生。加入中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋团队后,这匹“黑马”渐渐被驯服。

2016年以来,黑磷晶体产量实现了单管四个数量级的增长,王佳宏本人也从博士后快速成长为副研究员。

规模化制备实现量级突破

要想让黑磷替代传统磷资源成为工业中的“主角”,规模化制备是最基础也是最关键的一步。据王佳宏回忆,早期重复前人的制备方法,单次产量还不到0.5克。

“气压太大,投料量大了容易炸管。”王佳宏介绍,黑磷的规模化制备难点主要有三方面:一是温度高,最高生长温度超过600℃;二是压力大,当原料充分挥发时产生的压力超过十兆帕甚至更多;三是腐蚀性强,反应过程中产生的蒸气容易导致器壁损坏。

王佳宏带领团队解析化学气相传输机制,发掘新的反应机理,持续优化工艺参数,成功解决了系列科学问题和工程问题,产量单管单次实现了四个数量级的增长。目前工艺流程基本走通,这意味着黑磷晶体规模化制备的实验室部分告一段落,下一步将进入和产业结合更密切的中试阶段。

然而,对这样的成绩王佳宏并不满意:“我们还是很期待能有更理想的工艺,比如磷矿石被还原成磷蒸气后,我们能将磷蒸气直接转化成黑磷。”

按住躁动的“磷原子”

二维黑磷具有大比表面积、带隙调控等优势,但是黑磷上面的孤对电子和缺陷使其在水氧条件下容易发生分解、性能下降,极大地限制了黑磷的发展和应用。

“我们发现二维黑磷的边缘缺陷比较多,容易被氧化,一旦氧化后会进一步加剧它的不稳定性。”王佳宏介绍称,“黑磷边缘之所以容易被破坏,正是由于孤对电子和悬挂键太活泼。”

针对该问题,王佳宏采用构造“异质结”的方法,将黑磷破损的边缘“补”起来。具体而言,利用边缘或缺陷处磷原子的还原性,将其原位转化为较稳定的金属磷化物。进行了系列元素和反应条件的尝试以后,王佳宏发现钴和磷的作用较强,而且该异质结同时兼具很好的电催化全分解水的性能。

“补齐破损的边缘和缺陷后,材料的电化学稳定性与电化学活性均大幅提升,有效拓展了黑磷在能源化学转化领域的应用。”该成果发表于《德国应用化学》。

“不只上书架,还要上货架”

除了不断调控材料结构、提升材料性能外,王佳宏也从应用端出发,探索黑磷在光电催化与光电器件中的新应用。他将材料研发形容为电源,功能应用比喻为灯泡,在他看来,电源是基础,而灯泡发光发热才能将电源的能量释放出来。

黑磷在新能源中的应用是王佳宏的主要研究方向之一。他同时还在探索其他类黑磷材料、具有二维单元结构材料在氢能、环境治理中的应用。

由于在黑磷材料领域的前瞻布局,王佳宏所在团队于2016年获得湖北兴发集团2500万元投资,合作开发磷化工的高端产业应用。目前双方已进入中试平台搭建,相信很快能够交出一份满意的答卷。

“作为科研人员,我始终希望自己的工作不只能上书架,还可以上货架。”王佳宏期望未来继续发展更“硬核”的技术,为黑磷等新材料找到不可替代的“杀手锏”应用。 (原载于《中国科学报》 2020-12-04 第3版 转移转化)

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