石墨烯已经过时 硝烟起磷烯时代要到来

凉薄之人

做一个帅气的卡友很累，这点我真的深有体会。

当然我们不能拿火柴头上的红磷来使用，普通的磷需要通过特殊的工艺制成单层或者少层二维材料，磷烯具有和石墨烯相似的结构，磷烯中的磷原子会形成SP3杂化。与石墨烯优异的导电性不同，磷烯是一种半导体材料，相比于其他二维材料如石墨烯、MoS2等，磷烯材料的各项参数虽然不是最优秀的，但是其各项指标都相对平衡，因此保证了磷烯材料具有良好的特性，并且磷烯具有可调节能带间隙这一属性，这就使得其具有更为广阔的应用范围，例如晶体管、储能、超级电容、记忆元器件和太阳能发电等，因此磷烯吸引了广泛的关注。特别是其在锂离子电池/钠离子电池，晶体管电子元器件和下一代太阳能电池等领域具有十分广阔的应用前景。今天小编就带大家了解一下磷烯材料在这三个领域的应用，以及磷烯材料的几种制备工艺。

在过去的十多年里，人们已经对黑磷材料进行了广泛的研究，以期将磷材料用于锂离子电池领域。研究发现每个P原子可以与3个Li+反应，生成Li3P材料，理论比容量为2596mAh/g，电压范围为0.4-1.2V，具有极大的应用潜力。但是与其他高容量锂离子电池负极材料一样，在充放电循环过程中磷材料的容量会发生快速衰降，这主要是因为磷材料在嵌锂过程中体积膨胀过大（300%）造成的。为了克服这一难点，可以将纳米磷材料与石墨进行机械混合，由于P和石墨之间会形成很强的C-P键，因此显著的改善了材料的循环性能，其首次充电容量可以达到2786mAh/g（0.2C），循环100次后，容量保持率可达80%以上。

这是基于普通黑磷材料的研究，关于磷烯材料的储锂特性研究还比较少，Li等人研究了磷烯材料后认为其具有以下几大优势，1）Li和P之间具有很强的键；2）Li原子在寡层磷烯的Z方向的扩散能量阻碍只有0.08eV，这使得磷烯材料具有非常高的Li+扩散速率，要比Li+在MoS2和石墨中的扩散速率快100到10000倍，非常适合快充锂离子电池。3）磷烯层间的扩散阻力较大，达到0.68eV，避免了Li+在层间扩散；4）采用磷烯材料的锂离子电池电压平均达到2.9V以上；5）Li+嵌入的磷烯内部时，可以使得磷烯从半导体材料向金属性质转变，显著提高材料的导电性。

这几大优势使得磷烯材料在锂离子电池上十分具有应用潜力。但是目前针对磷烯在锂离子电池上的应用研究还较少。锂资源的稀缺性使得人们逐渐将注意力转移到了钠离子电池上，磷烯材料在钠离子电池上也具有优异的性能，例如Cui的团队，利用液相剥离法制备磷烯材料，并在NMP中使磷烯与石墨烯材料发生自组装，形成了独特的三明治结构，该工艺制备的磷与石墨烯复合材料的在钠离子电池表现出了良好的特性，在0.02C下可以获得2440mAh/g的可逆容量，循环100次后，仍然能够保持2080mAh/g的比容量，表现出了良好的循环性能，石墨烯和磷烯两大高端材料的结合，表现出了十分优良的电化学性能。相信随着研究的不断深入，磷烯材料在储能领域，特别是在钠离子电池和锂离子电池方面，会发挥更大的潜力，成为一种性能优异的锂离子电池负极材料。

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