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黑磷的結構與性能及在鋰離子電池領域的應用介紹

發布時間：2021-04-22 作者：axc 分享到：

二維黑磷，這一新興材料，一經發現便引起了科研人員的興趣。這是由于它整合了其他二維材料的性能，例如可調的能帶結構、各向異性的機械、熱力學、光電性能，使得它在多個領域展現出巨大的研究價值。二維黑磷的出現已經的促進了電化學儲能設備的發展，特別是鋰離子電池。

黑磷的結構與性能

從掃描電子顯微鏡(圖1a)來看，黑磷的結構與石墨烯類似，具有層狀褶皺結構。層與層之間通過弱的范德華力相連接，這也是為什么我們可以通過自上而下的剝離法來獲得磷烯。從它的原子結構(圖2b)來看，每個磷原子通過強的共價鍵與臨近的三個原子相連，在x方向形成Z字型，在z方向形成扶手椅狀。這種晶型結構具有各向異性，賦予了黑磷在不同的晶向上不同的理化特性。

結構決定性能，二維結構的黑磷具有一系列的性能。各向異性的力學性能，在x方向上黑磷的楊氏模量為0.166 TPa，z方向上為0.044 TPa，這種機械柔韌性使得磷烯在柔性電子、超輕材料等領域具有巨大的研究價值。的電學性能，黑磷迷人的電學特性來自于它可調的能帶結構，當黑磷由塊狀多層轉變為少層磷烯時，其能帶由0.3 eV轉變為2.0 eV，載流子遷移率由220 cm2V?1 s?1躍升至1000 cm2V?1 s?1。這讓黑磷具有介于導體與絕緣體之間的半導體特性，在傳感器、光電等領域展現出的應用潛力。出色的電化學性能，黑磷較大的層間距為離子的插入提供了更大的空間；此外，黑磷的褶皺結構可以為Li+、Na+、Mg2+等離子提供超快的離子擴散通道。理論計算表明，黑磷具有2596 mAh/g的理論容量，遠高于石墨的理論容量(372 mAh/g)；同時，具有較高的工作電壓(0.4-1.2 V)，同樣高于石墨(0-0.25 V)。

圖1

黑磷的環境不穩定性及鈍化

大量的實驗研究表明，隨著黑磷層數的減少，在環境條件下黑磷會表現出不穩定的特性。出現表面吸水、體積膨脹的現象(圖2a)，使其結構發生破壞，嚴重影響其理化性能。這是由于每個磷原子表面都存在孤對電子，使得P很容易與O2發生反應生成PxOy，造成環境不穩定性。因此，為了充分發揮磷烯的應用潛力，科研人員嘗試通過一些鈍化手段來提高其長期穩定性，例如包覆、表面修飾、摻雜等。

黑磷在鋰離子電池領域的應用

黑磷的高理論比容量以及優良的電子傳導性使其被認為是一種的鋰離子電池負極材料，在制備大容量、高倍率的鋰離子電池方面展現出巨大的潛力。然而，在實際應用過程中發現，隨著Li+不斷地嵌入脫出，黑磷很容易出現體積膨脹的現象，造成容量衰減快、庫倫效率低、可逆容量少等問題。因此，科研人員嘗試將黑磷與其他材料相結合來構建黑磷基復合材料以解決循環過程中的體積膨脹問題。

西安齊岳生物提供黑磷的各種納米材料（黑磷納米片、黑磷烯納米帶(PNR)、黑磷量子點(BPQDs)、黑磷納米顆粒BPNPs、黑磷納米管黑磷納米線、黑磷薄膜、黑磷晶體黑磷納米條陣列）

磷酸修飾黑磷量子點/黑磷納米片 acid-BPNSs

五氟苯酚修飾黑磷量子點/黑磷納米片 PFP-BPNSs

苯甲醛修飾黑磷量子點/黑磷納米片 Benzaldehyde-BPNSs

甲磺酸酯修飾黑磷量子點/黑磷納米片 Mesylate-BPNSs

磷酸三苯酯修飾黑磷量子點/黑磷納米片 TPP-BPNSs

多巴胺修飾黑磷量子點/黑磷納米片 Dopamine-BPNSs

二茂鐵修飾黑磷量子點/黑磷納米片 Ferrocene-BPNSs

甘草次酸修飾黑磷量子點/黑磷納米片 GA-BPNSs

環糊精修飾黑磷量子點/黑磷納米片 CD-BPNSs

大環配體DOTA/NOTA修飾黑磷納米片/黑磷量子點

四甲基羅丹明修飾黑磷納米片/黑磷量子點 TRITC-BPQDs