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  近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員課題組在黑磷電化學(xué)制備及其儲能應(yīng)用領(lǐng)域取得新突破。相關(guān)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(yīng)用》）發(fā)表于化學(xué)材料領(lǐng)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(xué)鋒。

  作為一種新型的二維層狀材料，黑磷近年來被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。其比表面積大、載流子遷移率高、機(jī)械強(qiáng)度好的特點(diǎn)使黑磷在能量儲存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。以二維片層材料為基元構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)被普遍認(rèn)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(xué)意義和應(yīng)用前景。

  在該研究中，課題組通過電化學(xué)方法實(shí)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）。

圖1. 三維黑磷的制備過程示意圖 

  科研人員通過設(shè)計(jì)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）。

圖2. 三維黑磷的掃描電鏡圖(a,b)；三維黑磷和塊體黑磷的Raman圖譜(c)和XPS圖譜(d)

  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(dá)到80 F/g，遠(yuǎn)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）。

圖3. 全固態(tài)超級電容器的制備示意圖(a)，不同掃速下的cv曲線圖(b)，比容量隨掃速的變化曲線圖(c)，GCD曲線圖(d)，穩(wěn)定性測試曲線圖(e) 

  該研究工作得到中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、香港研究資助基金等的資助。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh00708j#!divAbstract