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近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所喻學(xué)鋒、王佳宏團(tuán)隊與中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心江桂斌、曲廣波團(tuán)隊合作，在國際知名學(xué)術(shù)期刊Chemical Society Reviews（IF=46.2）上以正封面故事（Outside front cover）的形式發(fā)表綜述論文Renaissance of elemental phosphorus materials: properties, synthesis, and applications in sustainable energy and environment（圖1）。

論文系統(tǒng)總結(jié)了單質(zhì)磷材料的發(fā)展歷史、物化性質(zhì)、合成策略以及可持續(xù)能源與環(huán)境應(yīng)用相關(guān)的研究，并進(jìn)一步展望了單質(zhì)磷材料的未來研究趨勢，特別是關(guān)注了新同素異形體預(yù)測、特殊理化性質(zhì)探索、大規(guī)模合成及應(yīng)用優(yōu)化等關(guān)鍵領(lǐng)域。

當(dāng)期封面與論文上線截圖

單質(zhì)磷材料（Elemental Phosphorus Materials, EPMs）獨特的多態(tài)性使其在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。本綜述從磷元素的發(fā)現(xiàn)、到歷史上各單質(zhì)磷結(jié)構(gòu)的測定、再到近期基于機器學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)搜索，系統(tǒng)回顧了單質(zhì)磷材料的發(fā)現(xiàn)過程。對白磷、黑磷、非晶紅磷、藍(lán)磷、紫磷和纖維磷等代表性單質(zhì)磷材料迥異的原子結(jié)構(gòu)、豐富的電聲子性質(zhì)、多變的氧化還原活性和穩(wěn)定性等進(jìn)行了總結(jié)。從理論和實驗的角度分析了這些理化特性的結(jié)構(gòu)起源，并詳細(xì)討論了各種單質(zhì)磷材料之間的共性與差異（圖2）。

圖2.不同單質(zhì)磷材料的原子結(jié)構(gòu)示意圖

值得注意的是，單質(zhì)磷材料并非天然產(chǎn)物，所有單質(zhì)磷都需要人工合成，因此，高效綠色的合成策略在單質(zhì)磷材料的發(fā)展中有決定性的作用。論文梳理了各類單質(zhì)磷材料不同維度（0D，1D，2D或3D）結(jié)構(gòu)的自上而下或自下而上的合成策略，涵蓋了從塊狀晶體到層狀薄片，再到納米帶和量子點等多種形態(tài)（圖3）。于此同時，論文還簡述了針對微納米結(jié)構(gòu)開發(fā)的摻雜、包覆等功能化技術(shù)。

圖3.按照形貌維度分類的單質(zhì)磷材料結(jié)構(gòu)示意圖

近年來，單質(zhì)磷材料在多種能源環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用場景中嶄露頭角（圖4）。首先，單質(zhì)磷的微納材料覆蓋了從紫外到紅外較寬的光譜范圍和明顯的富電子特性，因此在水分解、二氧化碳轉(zhuǎn)化、固氮等領(lǐng)域表現(xiàn)出可觀的光、電催化性能；其次，單質(zhì)磷材料的堿金屬離子存儲容量大、電位適中、層間距大，是儲氫、堿金屬電池、超級電容器等各種儲能器件的重要候選電極材料；此外，單質(zhì)磷材料在化學(xué)分子傳感、污染物降解、細(xì)菌消毒、土壤修復(fù)等領(lǐng)域也得到了越來越多的關(guān)注。

圖4.單質(zhì)磷材料及其衍生物在能源轉(zhuǎn)換儲存和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用總結(jié)

總之，得益于先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析方法和納米制造技術(shù)，單質(zhì)磷材料的研究在過去十年里取得了巨大進(jìn)展。涌現(xiàn)出來的新性質(zhì)、新應(yīng)用不僅讓磷單質(zhì)這一古老的材料煥發(fā)新生，也加深了研究人員對單質(zhì)磷材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能之間關(guān)系的理解。磷作為我國的關(guān)鍵戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，發(fā)展單質(zhì)磷材料的新型大規(guī)模的綠色合成技術(shù)及高附加值工業(yè)產(chǎn)品具有重要意義。在未來的研究中不僅要尋找性能更優(yōu)異的磷單質(zhì)材料或微納米結(jié)構(gòu)，還應(yīng)關(guān)注其在環(huán)境中的回收與再利用。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料界面中心喻學(xué)鋒研究員、王佳宏副研究員和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心曲廣波研究員為論文的共同通訊作者，博士研究生田海江為論文的第一作者，生態(tài)環(huán)境研究中心江桂斌院士、香港城市大學(xué)Paul K. Chu（朱劍豪）教授、深圳先進(jìn)院碩士研究生賴耿昌為本文的撰寫提供了大力支持。該項工作得到國家自然科學(xué)基金委、深圳市科技創(chuàng)新委員會、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會和中國科協(xié)青年人才托舉工程的大力支持。

來源：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院