说起“磷家族”，很多人都不陌生，比如能自燃放出蓝色火光的白磷，比如能当做火柴头的红磷……
“磷家族”是一群活跃分子，他们在日常生活中的应用很广泛，在科研中的价值也很高。
从今天起，我们【趣味科普】栏目推出“磷系列”，带大家走进“磷家族”，领略它们的神奇。
今天我们就来看看“磷家族”的后起之秀——黑磷吧！
提到二维材料，很多人第一反应就是：石墨烯。以石墨烯为代表的二维材料，被誉为21世纪的超级材料，有望发展成为下一个万亿级的产业。
但是从2014年开始，黑磷成为二维材料领域的一匹“黑马”，它的横空出世迅速引发关注。从晶体管、光电子器件，再到催化、能源、生物医学等领域，均展现出广阔应用前景，一举夺得新型二维材料的新“C位”，因为它拥有媲美甚至超越“网红材料”石墨烯的潜能。
01黑磷是磷家族的一份子
说起磷家族，人们最熟悉的应该是白磷，毕竟“鬼火”的科普早已家喻户晓，而发现磷元素的故事也是充满了味道。
1669年，住在德国汉堡的一名炼金师Hennig Brand突发奇想，将60多桶尿液加大火蒸干，他原本以为，金黄色的尿液煮完了会得到黄金，然而最终，他得到了另一种闪闪发光的物质。
磷元素发现者Hennig Brand正在煮尿
这种物质看起来像白蜡，发出的光芒竟然是蓝绿色的“冷光”，没有灼热感。Hennig Brand将他命名为Phosphorum（拉丁文冷光之意），也就是后来的Phosphorus——磷元素。
磷家族的成员易燃易爆炸，脾气非常大，比如在推理小说中经常出现的白磷，和用作火柴头的红磷，它们的化学性质都很活泼。
而作为磷家族一份子的黑磷，性质则要比白磷、红磷稳定得多。如果把白磷比作活泼的少年，那么黑磷则更像是一位稳重的青年。黑磷“性格”沉稳，在常温常压下是一种热力学稳定的磷同素异形体；通身有黑色的光泽，呈片状。
块状黑磷
02“黑马”黑磷的成名史
一开始，黑磷只是磷家族不起眼的一员，毕竟比起同素异形体中能自燃的白磷，黑磷的反应活性很弱，在空气中不会点燃，因此人们并未注意到它。
反而是石墨烯从2004年被制备出来之后，在科技界得到广泛看好，因为它具备优异的导热性和导电性，因此相比于传统的锂电池和聚合物电池，石墨烯电池更极致和优秀。
然而，二维石墨烯也拥有自己致命的缺陷——其电子结构中不具备能隙，大大限制了其使用范围。于是，材料学家们开始探寻更优异的材料，黑磷进入他们的视野。
通过一系列科学实验，材料学家发现，黑磷具备很高的电子流动性，在光电领域的应用前景很有可能超过石墨烯，因为黑磷存在能隙。
生物质石墨烯母粒
能隙是什么呢？在半导体中，由于能隙的存在，半导体只有吸收足够的能量才会呈现出另一种状态，即在半导体原件中可以表示0和1。如果没有能隙存在，就很难表示数字电路中的逻辑状态。
因此，黑磷作为一种新的二维材料，被视为能解决石墨烯性能上存在的一些问题的材料,它独特的几何及电子结构和优异的性能，在晶体管、传感器、太阳能电池及光电子器件等领域应用前景广阔。
03黑磷铂广谱光催化剂的开发
而要将黑磷进行广泛应用，目前已有的开发程度远远不够，仍然需要科学家们不断研究，将技术水平不断完善。
举个例子来说吧：
生产化合物时，最有效的方法是利用催化反应。但是，催化反应往往需要消耗大量不可再生能源以产生热能驱动反应，这是当前导致资源枯竭、环境污染等问题的重要原因之一。因此，发展光催化技术，直接利用太阳能生产化合物具有广阔的应用前景，而其中关键之处在于高效广谱光催化剂的开发。
黑磷具有可调的直接带隙、吸收范围广、光耦合效率高、载流子迁移率快、比表面积大、活性位点多等众多优势，却受限于稳定性不高、光生载流子复合过快等问题。半导体-金属异质结构能够加速捕获光激发的电子和空穴对，从而延长电荷载流子的寿命，提高肖特基结光催化中的电荷分离和利用效率。
先进院喻学锋研究员课题组设计了一种新型黑磷/铂半导体/金属异质结，实现了太阳能高效光催化有机反应。所负载超小，黑磷纳米片的稳定性显著增强。与此同时，该异质结构能够有效地吸收太阳能，其吸收范围覆盖太阳光紫外至红外区域。
黑磷/铂异质结的结构设计
(a) 不同催化剂光催化苯乙烯加氢性能转化率对比；(b) 黑磷/铂光催化和热驱动苯乙烯加氢性能转化率对比；(c) 黑磷/铂在苯乙烯加氢中观察到的主要同位素效应；(d) 光电子对苯乙烯加氢能垒变化影响
在模拟太阳光驱动的有机加氢与有机氧化反应后，黑磷/铂异质结展现出比其他铂基催化剂高得多的催化效率，也远远优于传统的热驱动催化效率。这种新型黑磷/铂光催化剂在太阳能驱动的有机催化反应中具有广泛应用潜力。
黑磷作为新材料的黑马，说它是可以媲美石墨烯的“网红”一点也不夸张，随着科研的深入，希望这熠熠生辉的“梦幻材料”，早日闪耀更大的光芒！
参考文献：
[1] Sha Xiong, et al. Brain-targeted delivery shuttled by black phosphorus nanostructure to treat Parkinson’s disease. Biomaterials, 2020.
[2] Ziletti Angelo, et al. Oxygen defects in phosphorene, Phys. Rev. Lett, 2015, 114, 046801.
[3] Zhou Qionghua, et al. Light-Induced Ambient Degradation of Few-Layer Black Phosphorus: Mechanism and Protection, Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55, 11437.
[4] Favron Alexandre, et al. Photooxidation and quantum confinement effects in exfoliated black phosphorus, Nat. Mater, 2015, 14, 826.
[5] Han Cheng, et al. Oxygen induced strong mobility modulation in few-layer black phosphorus, 2D Mater, 2017, 4, 021007.
对于“磷家族”的了解，是否还意犹未尽呢？下一期，我们继续科普“磷家族”成员，尽请期待哦！
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