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提到二維材料，很多人第一反應(yīng)就是：石墨烯。以石墨烯為代表的二維材料，被譽為21世紀(jì)的超級材料，有望發(fā)展成為下一個萬億級的產(chǎn)業(yè)。
但是從2014年開始，黑磷成為二維材料領(lǐng)域的一匹“黑馬”，它的橫空出世迅速引發(fā)關(guān)注。從晶體管、光電子器件，再到催化、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，均展現(xiàn)出廣闊應(yīng)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(wǎng)紅材料”石墨烯的潛能。
01
黑磷是磷家族的一份子
說起磷家族，人們最熟悉的應(yīng)該是白磷，畢竟“鬼火”的科普早已家喻戶曉，而發(fā)現(xiàn)磷元素的故事也是充滿了味道。
1669年，住在德國漢堡的一名煉金師Hennig Brand突發(fā)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(fā)光的物質(zhì)。
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磷元素發(fā)現(xiàn)者Hennig Brand正在煮尿
這種物質(zhì)看起來像白蠟，發(fā)出的光芒竟然是藍(lán)綠色的“冷光”，沒有灼熱感。Hennig Brand將他命名為Phosphorum（拉丁文冷光之意），也就是后來的Phosphorus——磷元素。
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(jīng)常出現(xiàn)的白磷，和用作火柴頭的紅磷，它們的化學(xué)性質(zhì)都很活潑。
而作為磷家族一份子的黑磷，性質(zhì)則要比白磷、紅磷穩(wěn)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(wěn)重的青年。黑磷“性格”沉穩(wěn)，在常溫常壓下是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的磷同素異形體；通身有黑色的光澤，呈片狀。
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塊狀黑磷
02
“黑馬”黑磷的成名史
一開始，黑磷只是磷家族不起眼的一員，畢竟比起同素異形體中能自燃的白磷，黑磷的反應(yīng)活性很弱，在空氣中不會點燃，因此人們并未注意到它。
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(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，因此相比于傳統(tǒng)的鋰電池和聚合物電池，石墨烯電池更極致和優(yōu)秀。
然而，二維石墨烯也擁有自己致命的缺陷——其電子結(jié)構(gòu)中不具備能隙，大大限制了其使用范圍。于是，材料學(xué)家們開始探尋更優(yōu)異的材料，黑磷進(jìn)入他們的視野。
通過一系列科學(xué)實驗，材料學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑磷具備很高的電子流動性，在光電領(lǐng)域的應(yīng)用前景很有可能超過石墨烯，因為黑磷存在能隙。
生物質(zhì)石墨烯母粒
能隙是什么呢？在半導(dǎo)體中，由于能隙的存在，半導(dǎo)體只有吸收足夠的能量才會呈現(xiàn)出另一種狀態(tài)，即在半導(dǎo)體原件中可以表示0和1。如果沒有能隙存在，就很難表示數(shù)字電路中的邏輯狀態(tài)。
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(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在晶體管、傳感器、太陽能電池及光電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
03
黑磷鉑廣譜光催化劑的開發(fā)
而要將黑磷進(jìn)行廣泛應(yīng)用，目前已有的開發(fā)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍然需要科學(xué)家們不斷研究，將技術(shù)水平不斷完善。
舉個例子來說吧：
生產(chǎn)化合物時，最有效的方法是利用催化反應(yīng)。但是，催化反應(yīng)往往需要消耗大量不可再生能源以產(chǎn)生熱能驅(qū)動反應(yīng)，這是當(dāng)前導(dǎo)致資源枯竭、環(huán)境污染等問題的重要原因之一。因此，發(fā)展光催化技術(shù)，直接利用太陽能生產(chǎn)化合物具有廣闊的應(yīng)用前景，而其中關(guān)鍵之處在于高效廣譜光催化劑的開發(fā)。
黑磷具有可調(diào)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(yōu)勢，卻受限于穩(wěn)定性不高、光生載流子復(fù)合過快等問題。半導(dǎo)體-金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠加速捕獲光激發(fā)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(jié)光催化中的電荷分離和利用效率。
先進(jìn)院喻學(xué)鋒研究員課題組設(shè)計了一種新型黑磷/鉑半導(dǎo)體/金屬異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了太陽能高效光催化有機(jī)反應(yīng)。所負(fù)載超小，黑磷納米片的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。與此同時，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(qū)域。
黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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(a) 不同催化劑光催化苯乙烯加氫性能轉(zhuǎn)化率對比；(b) 黑磷/鉑光催化和熱驅(qū)動苯乙烯加氫性能轉(zhuǎn)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(yīng)；(d) 光電子對苯乙烯加氫能壘變化影響
在模擬太陽光驅(qū)動的有機(jī)加氫與有機(jī)氧化反應(yīng)后，黑磷/鉑異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出比其他鉑基催化劑高得多的催化效率，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的熱驅(qū)動催化效率。這種新型黑磷/鉑光催化劑在太陽能驅(qū)動的有機(jī)催化反應(yīng)中具有廣泛應(yīng)用潛力。
黑磷作為新材料的黑馬，說它是可以媲美石墨烯的“網(wǎng)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！
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