團隊製備的黑磷晶體。深圳先進院供圖

近年來，以石墨烯爲代表的新材料蓬勃發展，二維黑磷作爲一種直接帶隙半導體迅速成爲一匹“黑馬”。四年前，剛剛從武漢大學博士畢業的王佳宏對黑磷還十分陌生。加入中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒團隊後，這匹“黑馬”漸漸被馴服。

2016年以來，黑磷晶體產量實現了單管四個數量級的增長，王佳宏本人也從博士後快速成長爲副研究員。

規模化製備實現量級突破

要想讓黑磷替代傳統磷資源成爲工業中的“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氣容易導致器壁損壞。

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，這意味着黑磷晶體規模化製備的實驗室部分告一段落，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氣後，我們能將磷蒸氣直接轉化成黑磷。”

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，將其原位轉化爲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，有效拓展了黑磷在能源化學轉化領域的應用。”該成果發表於《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。他將材料研發形容爲電源，功能應用比喻爲燈泡，在他看來，電源是基礎，而燈泡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王佳宏的主要研究方向之一。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佈局，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。

“作爲科研人員，我始終希望自己的工作不只能上書架，還可以上貨架。”王佳宏期望未來繼續發展更“硬核”的技術，爲黑磷等新材料找到不可替代的“殺手鐧”應用。 （原載於《中國科學報》 2020-12-04 第3版 轉移轉化）

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