近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒課題組在黑磷電化學制備及其儲能應用領域取得新突破。相關工作“Synthesis of High-Quality Black Phosphorus Sponges for All-Solid-State Supercapacitor”（《高質(zhì)量黑磷海綿的制備及其在全固態(tài)超級電容器中的應用》）發(fā)表于化學材料領域刊物Materials Horizons（DOI： 10.1039/c8mh00708j）。論文共同第一作者是課題組博士后溫敏和研究助理劉丹妮，通訊作者是喻學鋒。

作為一種新型的二維層狀材料，黑磷近年來被廣泛應用于物理、化學、材料科學等領域。其比表面積大、載流子遷移率高、機械強度好的特點使黑磷在能量儲存與轉(zhuǎn)換領域引起了廣泛關注。以二維片層材料為基元構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)被普遍認為是提升材料儲能性能的有效途徑。然而，二維黑磷對空氣、水以及氧化劑的敏感性給三維黑磷結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑帶來巨大的挑戰(zhàn)。因此，研究一種有效的方法構(gòu)筑性能優(yōu)異的新型三維黑磷結(jié)構(gòu)，具有重要的科學意義和應用前景。

在該研究中，課題組通過電化學方法實現(xiàn)了三維黑磷海綿的高效、高質(zhì)量制備。制備方法簡單、快速，在常溫常壓的空氣環(huán)境中即可完成，時間僅需3分鐘（圖1）?？蒲腥藛T通過設計電解池的結(jié)構(gòu)，選擇尺寸合適的插層離子、抗衡離子及電解液體系，克服了黑磷制備經(jīng)常面臨的耗時長、易氧化、片層易斷裂等問題，成功制備了高質(zhì)量、半交聯(lián)的三維黑磷海綿。掃描電鏡、拉曼光譜、X-射線光電子能譜、透射電鏡、原子力顯微鏡以及理論模擬結(jié)果均顯示該三維黑磷海綿由超大、超薄、未氧化的高質(zhì)量二維磷烯基元組成，其中不乏單層磷烯的存在，這些磷烯基元半交聯(lián)在一起形成了三維的黑磷海綿（圖2）。科研人員以此三維黑磷海綿為電極材料制備了全固態(tài)超級電容器，展現(xiàn)出了優(yōu)良的超電容性能和穩(wěn)定性。10 mv/s掃速下，電容器的比電容量達到80 F/g，遠高于以二維黑磷納米片和塊狀黑磷為電極材料的電容器。在經(jīng)過15000個充放電循環(huán)后，容量僅衰減了20%（圖3）。

該研究工作得到中科院前沿科學研究重點計劃、國家自然科學基金、香港研究資助基金等的資助。