時間:2020-11-24 來源:
“磷家族”是一群活躍分子,他們在日常生活中的應用很廣泛,在科研中的價值也很高。
從今天起,我們【趣味科普】欄目推出“磷系列”,帶大家走進“磷家族”,領略它們的神奇。
今天我們就來看看“磷家族”的后起之秀——黑磷吧!
但是從2014年開始,黑磷成為二維材料領域的一匹“黑馬”,它的橫空出世迅速引發關注。從晶體管、光電子器件,再到催化、能源、生物醫學等領域,均展現出廣闊應用前景,一舉奪得新型二維材料的新“C位”,因為它擁有媲美甚至超越“網紅材料”石墨烯的潛能。
1669年,住在德國漢堡的一名煉金師Hennig Brand突發奇想,將60多桶尿液加大火蒸干,他原本以為,金黃色的尿液煮完了會得到黃金,然而最終,他得到了另一種閃閃發光的物質。

磷元素發現者Hennig Brand正在煮尿
磷家族的成員易燃易爆炸,脾氣非常大,比如在推理小說中經常出現的白磷,和用作火柴頭的紅磷,它們的化學性質都很活潑。
而作為磷家族一份子的黑磷,性質則要比白磷、紅磷穩定得多。如果把白磷比作活潑的少年,那么黑磷則更像是一位穩重的青年。黑磷“性格”沉穩,在常溫常壓下是一種熱力學穩定的磷同素異形體;通身有黑色的光澤,呈片狀。

塊狀黑磷
反而是石墨烯從2004年被制備出來之后,在科技界得到廣泛看好,因為它具備優異的導熱性和導電性,因此相比于傳統的鋰電池和聚合物電池,石墨烯電池更極致和優秀。
然而,二維石墨烯也擁有自己致命的缺陷——其電子結構中不具備能隙,大大限制了其使用范圍。于是,材料學家們開始探尋更優異的材料,黑磷進入他們的視野。
通過一系列科學實驗,材料學家發現,黑磷具備很高的電子流動性,在光電領域的應用前景很有可能超過石墨烯,因為黑磷存在能隙。

生物質石墨烯母粒
因此,黑磷作為一種新的二維材料,被視為能解決石墨烯性能上存在的一些問題的材料,它獨特的幾何及電子結構和優異的性能,在晶體管、傳感器、太陽能電池及光電子器件等領域應用前景廣闊。
舉個例子來說吧:
生產化合物時,最有效的方法是利用催化反應。但是,催化反應往往需要消耗大量不可再生能源以產生熱能驅動反應,這是當前導致資源枯竭、環境污染等問題的重要原因之一。因此,發展光催化技術,直接利用太陽能生產化合物具有廣闊的應用前景,而其中關鍵之處在于高效廣譜光催化劑的開發。
黑磷具有可調的直接帶隙、吸收范圍廣、光耦合效率高、載流子遷移率快、比表面積大、活性位點多等眾多優勢,卻受限于穩定性不高、光生載流子復合過快等問題。半導體-金屬異質結構能夠加速捕獲光激發的電子和空穴對,從而延長電荷載流子的壽命,提高肖特基結光催化中的電荷分離和利用效率。
先進院喻學鋒研究員課題組設計了一種新型黑磷/鉑半導體/金屬異質結,實現了太陽能高效光催化有機反應。所負載超小,黑磷納米片的穩定性顯著增強。與此同時,該異質結構能夠有效地吸收太陽能,其吸收范圍覆蓋太陽光紫外至紅外區域。

黑磷/鉑異質結的結構設計

(a) 不同催化劑光催化苯乙烯加氫性能轉化率對比;(b) 黑磷/鉑光催化和熱驅動苯乙烯加氫性能轉化率對比;(c) 黑磷/鉑在苯乙烯加氫中觀察到的主要同位素效應;(d) 光電子對苯乙烯加氫能壘變化影響
黑磷作為新材料的黑馬,說它是可以媲美石墨烯的“網紅”一點也不夸張,隨著科研的深入,希望這熠熠生輝的“夢幻材料”,早日閃耀更大的光芒!
[1]?Sha Xiong, et al. Brain-targeted delivery shuttled by black phosphorus nanostructure to treat Parkinson’s disease. Biomaterials, 2020.
[2]?Ziletti Angelo, et al. Oxygen defects in phosphorene, Phys. Rev. Lett, 2015, 114, 046801.
[3]?Zhou Qionghua, et al. Light-Induced Ambient Degradation of Few-Layer Black Phosphorus: Mechanism and Protection, Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55, 11437.
[4]?Favron Alexandre, et al. Photooxidation and quantum confinement effects in exfoliated black phosphorus, Nat. Mater, 2015, 14, 826.
[5]?Han Cheng, et al. Oxygen induced strong mobility modulation in few-layer black phosphorus, 2D Mater, 2017, 4, 021007.