2020年,是深圳经济特区建立40周年。从边陲小渔村到“综合性国家科学中心”,从“特区”到“先行示范区”,深圳始终肩负着中国改革开放和现代化建设先行探路的使命。在特区40年乘风破浪的路上,深圳先进院坚定选择与深圳这座城市同呼吸、共发展、创未来。庆祝特区成立40周年,深圳先进院推出“我为综合性国家科学中心做贡献”系列人物报道,展现科研人员开拓、创新、团结、贡献的特区精神。

近年来,以石墨烯为代表的新材料蓬勃发展,二维黑磷作为一种直接带隙半导体迅速成为其中的一匹黑马。四年前,对刚刚从武汉大学博士毕业的王佳宏而言,黑磷这匹“黑马”还显得十分陌生。在加入中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员团队后,这匹黑马渐渐被驯服。2016年以来,黑磷晶体产量实现了单管四个数量级的增长,王佳宏本人也从博士后快速成长为副研究员。对黑磷相关新材料的未来发展,王佳宏期望能够发展更多的硬核技术,开发更多的“杀手锏”应用。

△ 材料所(筹)研究员王佳宏

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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。”
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按住躁动的“磷原子”

转化二维黑磷缺陷

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》。

△ 团队制备的黑磷晶体

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“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,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。

△ 王佳宏团队成员

来源:中科院深圳先进院