超级材料（超级材料研发取得突破）

超材料(超材料研发的突破)

王家弘正在实验室里做研究。

王家弘团队成员

研究所研制的高级黑磷晶体

以石墨烯为代表的二维材料，被称为21世纪的超级材料，有望发展成为下一个万亿美元的产业。2014年，黑磷成为二维材料领域的一匹“黑马”，它的横空空诞生迅速引起关注。从晶体管、光电器件，到催化、能源、生物医药等领域，黑磷展现出广阔的应用前景。

科研人员是如何驯服黑磷这匹“黑马”的？未来这匹“黑马”能否成为“天马”，带我们实现对那些台词的想象空？最近中科院深圳先进技术研究所制备的黑磷晶体产量每管提高了4个数量级。为此，记者采访了该研究所副研究员王家弘。四年前，刚从武汉大学博士毕业的王家弘加入了俞雪峰在先进所的研究团队。现在，黑磷这匹黑马在他们手中逐渐被驯服。

文、图/广州日报全媒体记者王娜通讯员闫妍

规模准备实现一个数量级的突破。

黑磷要想取代传统磷资源，成为工业上的“主角”，规模化制备是最基础也是最关键的一步。据王家弘回忆，前期重复了以前的制备方法，单次产量不到0.5g..

“气压太大，给料量太大容易炸管。”王家弘介绍，黑磷的规模化制备主要有三个难点:一是温度高，最高生长温度超过600℃；第二，压力大。当原料完全挥发后，产生的压力超过10 MPa甚至更多；三是腐蚀性强，反应过程中产生的蒸汽容易对反应器壁造成损伤。

从2016年到在深高院工作的四年间，王家弘带领团队分析化学蒸气传输机理，探索新的反应机理，不断优化工艺参数，成功解决了一系列科学和工程难题。单管产量增加了四个数量级。目前工艺流程基本公开，意味着大规模制备黑磷晶体的实验室部分将告一段落，下一步将进入与产业结合更加紧密的中试阶段。然而，王家弘并不满足于这一成就。“我们仍然期待更理想的过程。比如磷矿还原成磷蒸汽后，我们可以直接把磷蒸汽转化成黑磷。”

如何压住躁动的“磷原子”

二维黑磷具有比表面积大、带隙可控等优点，但黑磷上的孤对和缺陷使其在水氧条件下容易分解和性能退化，极大地限制了黑磷的开发和应用。

“我们发现二维黑磷有很多边缘缺陷，容易被氧化，一旦氧化会进一步加剧其不稳定性。”王家弘说，“黑磷边之所以容易损坏，恰恰是因为孤对和悬键太活泼了。”

为了解决这个问题，王家弘用构建“异质结”的方法来“修补”黑磷受损的边缘。具体地，边缘或缺陷处的磷原子的还原性被用于将它们原位转化成稳定的金属磷化物。在尝试了一系列元素和反应条件后，王家弘发现钴和磷有很强的作用，异质结对水的完全分解有很好的电催化性能。

“破损边缘和缺陷填充后，材料的电化学稳定性和电化学活性大大提高，有效拓展了黑磷在能源化学转化相关领域的应用。”这一成果发表在材料化学顶级期刊《德国应用化学》上。

“不仅上了架，还上了架”

黑磷作为超材料有什么用？也是普通大众关心的话题。

王家弘和他的同事还从应用方面探索黑磷在光电催化和光电器件中的新应用。王家弘告诉记者，材料的研发可谓电源，功能应用可以比作灯泡。在他看来，电源是基础，电源的能量可以通过灯泡的光和热释放出来。

黑磷在新能源中的应用是当前的研究方向之一。以工农业生产中重要的化工原料氨为例，传统的哈伯法合成氨工艺不仅能耗高，而且伴随着大量温室气体的排放。以黑磷为催化剂，人工构建无机仿生固氮酶，将氮和水直接转化为氨。王家弘团队还在探索其他黑磷类材料和二维单元结构材料在氢能和环境治理方面的应用。

由于在黑磷材料领域的前瞻性布局，王家弘团队于2016年获得湖北兴发集团2500万元投资，共同开发磷化工高端产业应用。目前双方已经进入先导试验平台，相信很快就能交出一份满意的答卷。

“作为一名研究者，我一直希望自己的作品不仅能上架，还能上架。”王家弘表示，开放的学术氛围、灵活的机制、与行业的紧密结合是他选择深高院深造和发展的重要原因。也期待未来有更多的“硬核”技术不断被开发，为黑磷等新材料找到不可替代的“杀手级”应用。

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