超级材料研发取得突破

王佳宏在实验室做研究。

王佳宏团队成员

先进院制备的黑磷晶体

以石墨烯为代表的二维材料，被誉为21世纪的超级材料，有望发展成为下一个万亿级的产业。2014年，黑磷成为二维材料领域的一匹“黑马”，它的横空出世迅速引发关注。从晶体管、光电子器件，再到催化、能源、生物医学等领域，黑磷展现出广阔应用前景。

究竟科研人员是如何驯服黑磷这匹“黑马”的？未来这匹“黑马”是否能变成“天马”带我们实现那些行空的想象？近日，中国科学院深圳先进技术研究院制备黑磷晶体产量实现了单管四个数量级的增长。为此，记者采访了该院的副研究员王佳宏。四年前，刚刚从武汉大学博士毕业的王佳宏加入先进院喻学锋科研团队，如今黑磷这匹“黑马”在他们手中正在逐渐被驯服。

文、图/广州日报全媒体记者王纳 通讯员严偲偲

规模化制备实现量级突破

要想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汽容易导致器壁损坏。

从2016年到深圳先进院工作的四年里，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将告一段落，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汽后，我们能将磷蒸汽直接转化成黑磷。”

如何按住躁动的“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，有效地拓展了黑磷在能源化学转化相关领域的应用。”该成果发表于材料化学领域的顶级刊物《德国应用化学》。

“不只上书架，还要上货架”

黑磷这种超级材料有什么用？也是普罗大众关心的话题。

王佳宏和他的同事们也从应用端出发，在不断地探索黑磷在光电催化与光电器件中的新应用。王佳宏告诉记者，可以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，而灯泡的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目前研究方向之一。以工农业生产中的重要化学原料“氨”为例，传统的哈伯法合成氨不仅耗能高，且伴随着大量的温室气体排放。采用黑磷作为催化剂，人工构造无机仿生固氮酶，直接将氮气和水转化为氨。王佳宏所在团队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。”王佳宏表示，开放的学术氛围、灵活的机制、与产业界密切的结合是他选择深圳先进院深造发展的重要原因；也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。

来源：广州日报