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深圳先進(jìn)院實(shí)現(xiàn)黑磷晶體產(chǎn)量四個(gè)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)
文章來(lái)源：深圳商報(bào) 更新時(shí)間：2020-11-04 15:08:05
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以石墨烯為代表的二維材料，被譽(yù)為21世紀(jì)的超級(jí)材料，有望發(fā)展成為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的產(chǎn)業(yè)。2014年，黑磷成為二維材料領(lǐng)域的一匹“黑馬”，它的橫空出世迅速引發(fā)關(guān)注。從晶體管、光電子器件，再到催化、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，黑磷展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。
近日，中科院深圳先進(jìn)院王佳宏博士告訴記者，在喻學(xué)峰研究員帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了黑磷晶體產(chǎn)量單管四個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，為開發(fā)更多“殺手锏”應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
規(guī)模化制備實(shí)現(xiàn)量級(jí)突破
要想黑磷替代傳統(tǒng)磷資源成為工業(yè)中的“主角”，規(guī)模化制備是最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的一步。據(jù)王佳宏回憶，早期重復(fù)前人的制備方法，單次產(chǎn)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(guī)模化制備難點(diǎn)主要有三方面：一是溫度高，最高生長(zhǎng)溫度超過(guò)600度；二是壓力大，當(dāng)原料充分揮發(fā)時(shí)產(chǎn)生的壓力超過(guò)十兆帕甚至更多；三是腐蝕性強(qiáng)，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽容易導(dǎo)致器壁損壞。
從2016年開始，王佳宏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)解析化學(xué)氣相傳輸機(jī)制，發(fā)掘新的反應(yīng)機(jī)理，持續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù)，成功解決了系列科學(xué)問(wèn)題和工程問(wèn)題，產(chǎn)量單管單次實(shí)現(xiàn)了四個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。
據(jù)悉，目前工藝流程基本走通，這意味著黑磷晶體規(guī)模化制備的實(shí)驗(yàn)室部分將告一段落，下一步將進(jìn)入和產(chǎn)業(yè)結(jié)合更密切的中試階段。然而，對(duì)這樣的成績(jī)王佳宏并不滿意，“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汽后，我們能將磷蒸汽直接轉(zhuǎn)化成黑磷。”
按住躁動(dòng)的“磷原子”
二維黑磷具有大比表面積、帶隙調(diào)控等優(yōu)勢(shì)，但是黑磷上面的孤對(duì)電子和缺陷使其在水氧條件下容易發(fā)生分解、性能下降，極大地限制了黑磷的發(fā)展和應(yīng)用。
“我們發(fā)現(xiàn)二維黑磷的邊緣缺陷比較多，容易被氧化，一旦氧化后會(huì)進(jìn)一步加劇它的不穩(wěn)定性。”王佳宏介紹稱。
針對(duì)該問(wèn)題，王佳宏采用構(gòu)造“異質(zhì)結(jié)”的方法，將黑磷破損的邊緣“補(bǔ)”起來(lái)。具體而言，利用邊緣或缺陷處磷原子的還原性，將其原位轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的金屬磷化物。進(jìn)行了系列元素和反應(yīng)條件的嘗試以后，王佳宏發(fā)現(xiàn)鈷和磷的作用較強(qiáng)，而且該異質(zhì)結(jié)同時(shí)兼具很好的電催化全分解水的性能。
“補(bǔ)齊破損的邊緣和缺陷后，材料的電化學(xué)穩(wěn)定性與電化學(xué)活性均大幅提升，有效地拓展了黑磷在能源化學(xué)轉(zhuǎn)化相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。”該成果發(fā)表于材料化學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)刊物《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。
“不只上書架，還要上貨架”
除了不斷調(diào)控材料結(jié)構(gòu)、提升材料性能外，王佳宏也從應(yīng)用端出發(fā)，探索黑磷在光電催化與光電器件中的新應(yīng)用。他將材料研發(fā)形容為電源，功能應(yīng)用比喻為燈泡，在他看來(lái)，電源是基礎(chǔ)，而燈泡的發(fā)光發(fā)熱才能將電源的能量釋放出來(lái)。
黑磷在新能源中的應(yīng)用是他的主要研究方向之一。以工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要化學(xué)原料“氨”為例，傳統(tǒng)的哈伯法合成氨不僅耗能高，且伴隨著大量的溫室氣體排放。采用黑磷作為催化劑，人工構(gòu)造無(wú)機(jī)仿生固氮酶，直接將氮?dú)夂退D(zhuǎn)化為氨。他同時(shí)還在探索其他類黑磷材料、具有二維單元結(jié)構(gòu)材料在氫能、環(huán)境治理中的應(yīng)用。
由于在黑磷材料領(lǐng)域的前瞻布局，王佳宏所在團(tuán)隊(duì)于2016年獲得湖北興發(fā)集團(tuán)2500萬(wàn)元投資，合作開發(fā)磷化工的高端產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。目前雙方已進(jìn)入中試平臺(tái)搭建。（記者袁斯茹 通訊員嚴(yán)偲偲） |
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