山東埃爾派 | 點擊量:0次 | 2020-11-13
新材料“黑馬”有望成為下一個萬億級產業
以石墨烯為代表的二維材料,被譽為21世紀的超級材料,有望發展成為下一個萬億級的產業。2014年,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,黑磷展現出廣闊應用前景。近日,中科院深圳先進院王佳宏博士稱,在喻學峰研究員帶領下,團隊實現了黑磷晶體產量單管千倍的增長,為開發更多“殺手锏”應用打下了基礎。
規模化制備實現量級突破
要想黑磷替代傳統磷資源成為工業中的“主角”,規模化制備是最基礎也是最關鍵的一步。據王佳宏回憶,早期重復前人的制備方法,單次產量還不到0.5克。
從2016年開始,王佳宏帶領團隊解析化學氣相傳輸機制,發掘新的反應機理,持續優化工藝參數,成功解決了系列科學問題和工程問題,產量單管單次實現了千倍增長,即單次產量500克。
據悉,目前工藝流程基本走通,這意味著黑磷晶體規模化制備的實驗室部分將告一段落,下一步將進入和產業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。”
按住躁動的“磷原子”
二維黑磷具有大比表面積、帶隙調控等優勢,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生分解、性能下降,極大地限制了黑磷的發展和應用。“我們發現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定性。”王佳宏介紹稱。
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。
“補齊破損的邊緣和缺陷后,材料的電化學穩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。”該成果發表于材料化學領域的頂級刊物《德國應用化學》。
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,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,而燈泡的發光發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。以工農業生產中的重要化學原料“氨”為例,傳統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年獲得湖北興發集團2500萬元投資,合作開發磷化工的高端產業應用。目前雙方已進入中試平臺搭建。
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