超级材料（超级材料研发取得突破）

超级材料（超级材料研发取得突破）超级材料(超级材料研发的突破)

王家弘正在实验室里做研究。

王家弘团队成员

先进研究所制备的黑磷晶体

以石墨烯为代表的二维材料被称为21世纪的超级材料，有望发展成为下一个万亿美元产业。2014年，黑磷成为二维材料领域的“黑马”，其横版空的诞生迅速引起关注。从晶体管、光电器件，到催化、能源、生物医药等领域，黑磷显示出广阔的应用前景。

研究人员是如何驯服黑磷“黑马”的？这未来的“黑马”能否成为“天马”，带领我们实现那些线条的想象空？近日，中科院深圳先进技术研究院制备的黑磷晶体单管产量提高了4个数量级。为此，记者采访了该所副研究员王家弘。四年前，刚从武大博士毕业的王家弘加入了先进院于雪峰的研究团队，如今黑磷的“黑马”正在他们手中逐渐被驯服。

文字、图片/广州日报全媒体记者王娜通讯员闫妍

大规模制备实现量级突破。

规模化制备是黑磷替代传统磷资源，成为产业“主角”最基础、最关键的一步。据王家弘回忆，前期重复了之前的制备方法，单次产量不到0.5g..

“气压太高，如果给料量太大很容易吹爆管道。”王家弘介绍，大规模制备黑磷主要有三大难点:一是温度高，最高生长温度超过600℃；第二，压力大。当原料完全挥发时，压力将超过10兆帕甚至更高。三是腐蚀性强，反应过程中产生的蒸汽容易对容器壁造成损伤。

从2016年到深圳先进院工作的四年间，王家弘带领团队分析化学气相传输机理，探索新的反应机理，不断优化工艺参数，成功解决了一系列科学和工程问题，单根输出管实现了四个数量级的增长。目前工艺流程基本畅通，意味着黑磷晶体大规模制备的实验室部分将告一段落，下一步将进入与行业更紧密融合的中试阶段。然而，王家弘对这一成就并不满意。“我们仍然期待一个更理想的过程。比如磷矿还原成磷蒸气后，我们可以直接把磷蒸气转化成黑磷。”

如何压住躁动不安的“磷原子”

二维黑磷具有比表面积大、带隙可调等优点。然而，黑磷上的孤对和缺陷使其在水和氧气条件下容易分解，极大地限制了黑磷的开发和应用。

“我们发现2D黑磷存在很多边缘缺陷，容易被氧化。一旦氧化，将进一步加剧其不稳定性。”王家弘说:“黑磷的边缘之所以容易被破坏，正是因为孤对和悬键太活泼了。”

为了解决这个问题，王家弘采用了构建“异质结”的方法来“填充”黑磷受损的边缘。具体而言，边缘或缺陷处的磷原子通过还原性原位转化为更稳定的金属磷化物。在尝试了一系列元素和反应条件后，王家弘发现钴和磷有很强的作用，异质结对水的完全分解有很好的电催化性能。

“填补破损边缘和缺陷后，材料的电化学稳定性和电化学活性大大提高，有效拓展了黑磷在能源化学转化相关领域的应用。”这一成果发表在材料化学领域的顶级期刊《德国应用化学》上。

“不仅在书架上，而且在书架上”

超级材料黑磷有什么用？这也是广大市民关心的话题。

王家弘和他的同事们也在不断从应用的角度探索黑磷在光电催化和光电子器件中的新应用。王家弘告诉记者，材料研发可以用电源来形容，而功能应用可以比作灯泡。在他看来，电源是基础，灯泡的光和热可以释放电源的能量。

黑磷在新能源中的应用是目前的研究方向之一。以工农业生产中的重要化工原料“氨”为例。传统的哈伯法合成氨不仅能耗高，而且排放大量温室气体。以黑磷为催化剂，构建无机仿生固氮酶，将氮和水直接转化为氨。王家弘团队还在探索其他类黑磷材料和二维单元结构材料在氢能和环境治理中的应用。

由于在黑磷材料领域的前瞻性布局，2016年王家弘团队获得湖北兴发集团2500万元投资，共同开发磷化工高端产业应用。目前双方已经进入试点平台建设，相信很快就能交出一份满意的答卷。

“作为一名研究人员，我一直希望我的作品不仅能上架，还能上架。”王家弘表示，开放的学术氛围、灵活的机制、与行业的紧密融合，是他选择深圳高等研究院深造发展的重要原因。也有望在未来继续开发更多“硬核”技术，为黑磷等新材料找到不可替代的“杀手级”应用。

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