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【先進人物】王佳宏：探尋新材料“黑馬”的殺手锏應用

時間：2020-10-23 來源：

2020年，是深圳經(jīng)濟特區(qū)建立40周年。從邊陲小漁村到“綜合性國家科學中心”，從“特區(qū)”到“先行示范區(qū)”，深圳始終肩負著中國改革開放和現(xiàn)代化建設先行探路的使命。在特區(qū)40年乘風破浪的路上，深圳先進院堅定選擇與深圳這座城市同呼吸、共發(fā)展、創(chuàng)未來。慶祝特區(qū)成立40周年，深圳先進院推出“我為綜合性國家科學中心做貢獻”系列人物報道，展現(xiàn)科研人員開拓、創(chuàng)新、團結、貢獻的特區(qū)精神。

近年來，以石墨烯為代表的新材料蓬勃發(fā)展，二維黑磷作為一種直接帶隙半導體迅速成為其中的一匹黑馬。四年前，對剛剛從武漢大學博士畢業(yè)的王佳宏而言，黑磷這匹“黑馬”還顯得十分陌生。在加入中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員團隊后，這匹黑馬漸漸被馴服。2016年以來，黑磷晶體產(chǎn)量實現(xiàn)了單管四個數(shù)量級的增長，王佳宏本人也從博士后快速成長為副研究員。對黑磷相關新材料的未來發(fā)展，王佳宏期望能夠發(fā)展更多的硬核技術，開發(fā)更多的“殺手锏”應用。

△?材料所（籌）研究員王佳宏

規(guī)?；苽鋵崿F(xiàn)量級突破

要想黑磷替代傳統(tǒng)磷資源成為工業(yè)中的“主角”，規(guī)?；苽涫亲罨A也是最關鍵的一步。據(jù)王佳宏回憶，早期重復前人的制備方法，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)?；苽潆y點主要有三方面：一是溫度高，最高生長溫度超過600度；二是壓力大，當原料充分揮發(fā)時產(chǎn)生的壓力超過十兆帕甚至更多；三是腐蝕性強，反應過程中產(chǎn)生的蒸汽容易導致器壁損壞。

從2016年到深圳先進院工作的四年里，王佳宏帶領團隊解析化學氣相傳輸機制，發(fā)掘新的反應機理，持續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù)，成功解決了系列科學問題和工程問題，產(chǎn)量單管單次實現(xiàn)了四個數(shù)量級的增長。目前工藝流程基本走通，這意味著黑磷晶體規(guī)模化制備的實驗室部分將告一段落，下一步將進入和產(chǎn)業(yè)結合更密切的中試階段。然而，對這樣的成績王佳宏并不滿意，“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化成黑磷?！?/section>

按住躁動的“磷原子”

轉化二維黑磷缺陷

二維黑磷具有大比表面積、帶隙調控等優(yōu)勢，但是黑磷上面的孤對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，一旦氧化后會進一步加劇它的不穩(wěn)定性，”王佳宏介紹稱，“黑磷邊緣之所以容易被破壞，正是由于孤對電子和懸掛鍵太活潑。”

針對該問題，王佳宏采用構造“異質結”的方法，將黑磷破損的邊緣“補”起來。具體而言，利用邊緣或缺陷處磷原子的還原性，將其原位轉化為較穩(wěn)定的金屬磷化物。進行了系列元素和反應條件的嘗試以后，王佳宏發(fā)現(xiàn)鈷和磷的作用較強，而且該異質結同時兼具很好的電催化全分解水的性能。

“補齊破損的邊緣和缺陷后，材料的電化學穩(wěn)定性與電化學活性均大幅提升，有效地拓展了黑磷在能源化學轉化相關領域的應用。”該成果發(fā)表于材料化學領域的頂級刊物《德國應用化學》。

△ 團隊制備的黑磷晶體

“不只上書架，還要上貨架”

除了不斷調控材料結構、提升材料性能外，王佳宏也從應用端出發(fā)，探索黑磷在光電催化與光電器件中的新應用。他將材料研發(fā)形容為電源，功能應用比喻為燈泡，在他看來，電源是基礎，而燈泡的發(fā)光發(fā)熱才能將電源的能量釋放出來。

黑磷在新能源中的應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，人工構造無機仿生固氮酶，直接將氮氣和水轉化為氨。他同時還在探索其他類黑磷材料、具有二維單元結構材料在氫能、環(huán)境治理中的應用。

由于在黑磷材料領域的前瞻布局，王佳宏所在團隊于2016年獲得湖北興發(fā)集團2500萬元投資，合作開發(fā)磷化工的高端產(chǎn)業(yè)應用。目前雙方已進入中試平臺搭建，相信很快能夠交出一份滿意的答卷。

“作為科研人員，我始終希望自己的工作不只能上書架，還可以上貨架。”王佳宏表示，開放的學術氛圍、靈活的機制、與產(chǎn)業(yè)界密切的結合是他選擇深圳先進院深造發(fā)展的重要原因；也期望未來繼續(xù)發(fā)展更“硬核”的技術，為黑磷等新材料找到不可替代的“殺手锏”應用。

△ 王佳宏團隊成員

來源：中科院深圳先進院

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