喻學鋒團隊在晶態(tài)紅磷大規(guī)模合成及其電化學固氮應用方面取得進展

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院材料界面研究中心喻學鋒與王佳宏團隊在晶態(tài)紅磷大規(guī)模合成及其電化學固氮應用方面取得進展。相應成果“Crystalline red phosphorus nanoribbons: large-scale synthesis and electrochemical nitrogen fixation(晶態(tài)紅磷大規(guī)模合成及其電化學固氮應用)”于 2020 年 6 月 8 日發(fā)表在AngewandteChemie International Edition上。

紅磷除無定型態(tài)外，還存在多種晶體結(jié)構(gòu)，其中三斜晶系的紅磷晶體為層狀材料。但是制備晶態(tài)紅磷面臨制備時間長(一般為數(shù)天甚至一周)、產(chǎn)率低、產(chǎn)量低(毫克級)、煅燒溫度高(大于 550 ℃)等困難。該研究旨在解決晶態(tài)紅磷制備困難的問題，并探索其潛在的應用價值。具體地，以商業(yè)無定型紅磷和碘單質(zhì)為原料、化學氣相傳輸為制備方法，在 480 ℃ 煅燒 20 h，其中升溫速率為 2.5 ℃/min，降溫速率為 1.0 ℃/min。

結(jié)果顯示，該研究實現(xiàn)了在較低溫度(480 ℃)、短時間 (20 h) 內(nèi)，大量合成高純?nèi)本B(tài)紅磷的單晶。其中，原料轉(zhuǎn)換率約 99%、單次產(chǎn)量可達 10 g，具有工業(yè)化生產(chǎn)潛力。紅磷晶體的大量合成為大量制備單層或少層納米帶結(jié)構(gòu)奠定了實驗基礎。探頭超聲處理紅磷單晶可得到厚度小于 20 nm，平均寬度約為 120 nm 的少層紅磷納米帶。理論和實驗研究表明，其具有高效穩(wěn)定的電化學固氮活性：在 0.1 mol/L Na2SO4電解液中，紅磷納米帶在―0.4 V(相對于可逆氫電極)時的氨產(chǎn)量為 ，在－0.2 V 時法拉第效率為 9.4%。

二維材料的量子限域效應引起的獨特物理化學性質(zhì)，使其成為物理、化學、材料學的研究熱點，并在能源催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。納米帶二維材料則具備更強的橫向尺寸限制效應與定向傳輸特性，同樣也會產(chǎn)生其獨有的性質(zhì)。三斜晶態(tài)紅磷為半導體層狀材料且易于剝離，其中單層由管狀磷單質(zhì)基本單元組成，天然適用于制備二維納米帶結(jié)構(gòu)。除了電催化外，單層或少層紅磷納米帶在光催化、光電領(lǐng)域具有潛在的應用前景。

紅磷單晶及其納米帶制備示意圖[1]

[1] Liu Q, Zhang X, Wang JH, et al. Crystalline red phosphorus nanoribbons: large-scale synthesis and electrochemical nitrogen fixation [J]. AngewandteChemie International Edition, 2020, 59(34): 14383-14387.