王中林、謝毅、施劍林、崔屹等大牛玩轉“材料新星”在催化、電池、納米醫藥、納米發電機等領域新應用

一、“黑磷”研究背景介紹

黑磷，元素周期表第15位，元素符號P。黑色有金屬光澤的晶體, 它是用白磷在很高壓強和較高溫度下轉化而形成的。目前，石墨烯具有優異的材料性能，具有重要的應用前景。而如今，科學家們又發現了黑磷，相比于石墨烯，其低成本的制作工藝，在生產生活中其具有更多的優勢，被預測為是下一代新材料金礦。而作為第一個被成功制備的單元素二維半導體，黑磷具有高遷移率、各向異性、可調帶隙等獨特性能，在催化能源、光電器件、生物醫學和阻燃材料等領域具有廣泛的應用前景。

二、“黑磷”在催化、電池、納米醫藥、納米發電機等應用介紹

催化：

1、Angew:利用黑磷快速活化鉑實現高效HER

中科院深圳先進院先進材料科學與工程研究所喻學鋒教授等人證明了黑磷（BP）對Pt催化劑具有令人驚訝的強大活化作用，以調節Pt的表面電子結構并增強HER中的催化活性。研究人員發現，BP與Pt之間獨特的負結合能導致Pt@P鍵的自發形成，從而對Pt納米粒子產生強烈的協同配體效應。文章中所述的活化過程可以在環境條件下在幾分鐘內完成。通過光譜分析和理論計算，研究了BP活化Pt納米粒子的催化活性。從BP活化的Pt中可以觀察到HER的催化活性顯著提高，通過改變BP的用量可以調整其性質。該研究介紹了一種利用Pt基材料的電子結構來獲得理想的HER電催化劑的實驗方法。該研究不僅揭示了制備具有可調電子結構的Pt基催化劑的一般可行策略，而且為優化Pt基催化劑的工業應用提供了新的見解。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911696

2、Nat. Commun.：黑磷作為空穴提取層可促進太陽能催化解水

南京理工大學曾海波教授與韓國延世大學Jong Hyeok Park教授等多團隊合作發現在BiVO₄光電陽極和常規OEC層之間插入約4層的BP片狀剝離納米片可導致超快空穴提取。電化學分析揭示了由BP / BiVO₄異質結構形成的內置p/n電場，其中空間電荷區導致BP納米片的能級向上移動。結果，NiOOH / BP / BiVO₄以1.23 V （vs. RHE）的偏壓實現了4.48 mA·cm^-2的光電流密度，這比純BiVO₄高4.2倍，比NiOOH / BiVO₄高1.5倍。此外，另外兩個OEC（MnO_x和CoOOH）成功證明了BP納米片的空穴提取作用，證明了BP作為增強水解助劑的潛力。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10034-1

電池材料：

1、Nature Nanotech.：磷-石墨烯雜化材料作為鈉離子電池的負極材料

斯坦福大學崔屹教授在2015年報道了夾心的磷-石墨烯雜化材料，它在鈉離子電池中作為負極材料具有很高的比容量，倍率性能和循環壽命。石墨烯層提供了一個彈性緩沖層，以適應在與Na₃P發生合金反應期間磷光體層沿y和z軸方向的膨脹。具有增加的層間距離的磷光納米片為鈉離子提供了短而有效的擴散距離。此外，石墨烯既增強了材料的電導率，又提供了通往由磷的氧化還原反應產生的電子的優先途徑。夾層式磷烯-石墨烯雜化材料的簡便合成和優異的電化學性能使其成為鈉離子電池的合適負極材料。崔屹教授課題組后續又發表多篇將黑磷應用于電池材料領域的高水平文章。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/nnano.2015.194

2、AFM：黑磷@碳納米管（BP@CNTs）作為高性能鋰離子電池負極材料

吉林大學韓煒教授團隊使用新的化學交聯方法通過范德華相互作用使BP在CNTs上自組裝，實現了基于BP @ CNT的LIB電化學性能的提高。引入的官能團（例如-H, -OH和-NH₄）使BP和CNT形成獨特的3D導電結構，因此不僅增強了電極的導電性，而且限制了鋰化過程中的體積膨脹。基于BP @ CNT的電極表現出高放電電容，良好的電導率，長期循環穩定性，出色的速率性能和高能量密度。這項工作為高性能電極的制造和設計提供了獨特的見解，這將有益于柔性和可穿戴式儲能設備實現實際應用。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201909372?af=R

納米醫藥：

1、Nano Lett.：抗氧化黑磷納米片用于治療急性腎臟損傷

中國科學技術大學謝毅院士、中國科學院上海應用物理研究所王麗華等人開發了一種基于BPNSs的新的腎臟治療方法，例如AKI，并進一步建立了一種新的腎臟靶向原則，以促進腎臟藥物的遞送 BPNSs在體內和體外均可作為抗氧化劑，因為它們具有足夠的可及的還原性分子，具有很強的還原性，為BPNSs作為抗氧化納米藥物減輕AKI引起的ROS奠定了基礎。研究人員發現，BPNSs導向的腎臟治療的最顯著優點在于其片狀結構，較高的ROS清除能力和最小的體內細胞毒性，而金屬納米顆粒或聚合物制成的其他納米藥物很難同時實現這些優點。 BPNS的獨特物理幾何結構，例如它們的大小，形狀和電荷，確保了小鼠的腎臟靶向性，并且BPNS的化學反應性可以作為有效的抗氧化劑，在生理條件下減少腎臟中的ROS。此外，BPNSs發揮保護功能后的最終產物是生物相容性P_xO_y離子，具有非生物毒性，這些令人興奮的特性使BPNSs非常有希望成為抑制ROS相關疾病中氧化應激的候選藥物。這項工作可以擴大BPNS的生物醫學應用，并為納米藥物在腎臟疾病治療中的應用提供新的見解。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05218

2、Adv. Sci.:?通過癌細胞自噬抑制增強腫瘤饑餓療法

中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士和陳雨研究員等人首次致力于使用BP納米片作為自噬抑制劑來增強腫瘤饑餓療法。抑制糖酵解會使癌細胞嚴重喪失能量，但此操作也會激活自噬反應，以“消耗”自身的成分來維持生存。BP納米片阻止自噬通量和隨后的代謝途徑，最終使癌細胞餓死。體外和體內的結果均證明了BP和2DG之間的協同作用。研究人員后續研究是實施正交試驗，以優化BP和2DG之間的比例，以獲得更好的治療效果。預期通過同時阻斷營養供應的外源性和內源性途徑的這種聯合策略可能對腫瘤特異性納米療法的未來設計非常有用。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201902847

納米發電機：

1、AM：用于壓電和納米發電機的多層黑磷中的壓電性研究

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和潘曹峰研究員等人研究了多層BP的壓電性，包括對其非中心對稱晶格的分析，其拉曼光譜的各向異性以及在其設備中記錄壓電效應和壓電信號。重要的是，對壓電性，開關極性和線性疊加的測量確認了多層BP中壓電信號的存在。而且，顯示出壓阻現象主要源于通過壓電調制的界面勢壘。這種靈活的BP發生器易于制造且相對穩定，但對靜電敏感。多層BP中的壓電性為制造生物機械能采集設備，機電傳感器，制動器，能量存儲設備，晶體管和光電探測器提供了絕佳機會。具體而言，該研究為BP材料中沒有離子極化的壓電性提供了指導。研究人員未來將探索多層BP中的其他壓電機制。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201905795

有機太陽能電池：

1、Small：黑磷量子點用于制備高效有機太陽能電池

北京大學占肖衛教授和青島大學姜倩倩，唐建國教授等人利用液體剝落法合成的BPQDs作為IMs來修飾OSCs的ETL和HTL。由于它們的雙極性電荷傳輸，高遷移率和合適的能級，形成了級聯能帶結構，并且實現了有效的電荷轉移和減少的電荷復合。結果，基于PTB7-Th / FOIC的OSC的PCE從11.8％提高到13.1％。此外，BPQD的并入不會影響OSC的良好穩定性。此外，對于PTB7-Th/ITIC，PTB7-Th/FNIC2和PTB7-Th/PC70BM，BPQD的引入可使PCE分別從6.58％提高到7.90％，11.9％提高到13.3％，以及8.30％提高到9.45％。這項工作證明了BPQD作為具有普遍性的OSC中HTL和ETL的界面修飾劑的廣闊前景。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201903977#

本文由eric供稿。