科研人员研制高稳定性黑磷

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 在线发表于化学刊物Angew. Chem. Int. Ed.。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。这一缺陷极大地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W020160325512839560450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。

该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。

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

(据中国科学院深圳先进技术研究院)

原创文章,如若转载,请注明出处:https://www.scieau.com/articles/201603696

Copyright © 2016-2021 沙鸥科报 版权所有 - 沪ICP备17044971号-2