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中科院深圳先进院制备出高稳定性黑磷

近日,中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋王怀雨研发团队在二维材料领域取得新突破,制备出高稳定性黑磷,相关工作以封面文章“Surface Coordination of Black Phosphorus for Robust Air and Water Stability”在线发表于化学领域权威刊物Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.201512038),影响因子11.3。该工作由博士后赵岳涛等人完成。


作为二维材料的典型代表,石墨烯的研发荣获了2010年诺贝尔物理学奖,并掀起了人们研究二维材料的热潮。然而,由于石墨稀本身没有带隙,限制了它在半导体工业和光学器件等领域的应用。2014年,与石墨烯一样拥有二维层状结构的黑磷,被视为新的超级材料,刚一出现就引起了全世界的广泛关注。黑磷是一种天然的半导体,其带隙宽度可调、电学性能优越,被认为有望取代硅,成为半导体工业的核心材料。黑磷的光学性能同其它半导体相比也有巨大优势,它的半导体带隙是直接带隙,即导带底部和价带顶部在同一位置,这意味着黑磷可以和光直接耦合,构筑新一代光电器件。此外,黑磷还具有独特的力学、电学和热学的各向异性。尽管黑磷已在多个领域展现出巨大的应用潜力,它却存在着一个致命缺陷:缺乏稳定性。当接触水和氧气时,黑磷层片会在极短时间内氧化进而降解掉。这一缺陷极大的限制了黑磷的研究和工业应用。

为解决黑磷的这一“阿喀琉斯之踵”,研究团队创造性地提出用配位化学的方法来提高黑磷的稳定性。机理研究表明,黑磷之所以稳定性差,是因为在其蜂窝状结构中,磷原子与其它三个磷原子成键之后,外层仍有一对孤对电子,该孤对电子易被氧分子夺走,从而造成外层黑磷的氧化,而在有水存在的情况下,表面生成的氧化磷会迅速与水反应而降解掉,这样暴露出来的黑磷又会继续被氧化进而降解。从这一原理出发,研发团队设计了一种钛的苯磺酸酯配体,利用钛原子的空轨道和苯磺酸酯的强吸电子效应,该配体可与黑磷的孤对电子对进行配位,从而占据孤对电子,这样磷原子就无法再与氧气发生反应。对比实验表明:与未经修饰的黑磷会迅速降解不同,钛配体修饰的黑磷能在水中和湿度高达95%的潮湿空气中放置数日,而保持光学性能稳定。该修饰技术简单有效,在不改变黑磷晶体结构的前提下,就能极大提高它的其稳定性。而这种高稳定性黑磷的成功制备,无疑可有效推动黑磷在光电器件等领域的工业应用,还将极大促进其在能源、催化、生物医学等领域的深入研究。该研发团队已经在黑磷研发领域申请PCT专利1项、国家发明专利3项,并在积极推进相关技术的产业化。


本项目得到了国家自然科学基金、广东省领军人才计划和深圳市孔雀团队等项目的资助。


http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201512038/full


原文标题:Surface Coordination of Black Phosphorus for Robust Air and Water Stability


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