驯服新材料“黑马”，深圳先进院实现黑磷晶体产量四个数量级增长

读创/深圳商报记者袁斯茹通讯员严偲偲

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。

近日，中科院深圳先进院王佳宏博士告诉记者，在喻学峰研究员带领下，团队实现了黑磷晶体产量单管四个数量级的增长，为开发更多“杀手锏”应用打下了基础。

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度；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年开始，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。

据悉，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。”

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。

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”

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他的主要研究方向之一。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。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。