多功能0D-2D Ni2P纳米晶体 – 黑磷的异质结构

energy-yanqingyu黑磷具有二维层状结构,是一种p型直接带隙单元素半导体,且随层数减少,带隙可在0.3–2.2 eV范围调控,在纳米电子及光电器件领域有着极大的应用前景。最新的理论研究成果表明,磷烯(单原子层黑磷)在室温下具有非常高的热电品质因数;同时,黑磷层间距是5.4 Å,作为电池电极材料,大的层间距有利于锂离子插入与脱出,有优异的储能潜力。然而,由于黑磷较高的热导率,电化学储锂过程中的体积膨胀,以及机械剥离的超薄黑磷环境稳定性差,可被空气和水分快速氧化等因素,阻碍了黑磷规模化和产业化的应用。

为此,新加坡南洋理工大学颜清宇团队近年来对超薄黑磷基能源转换与储存材料进行了系统的研究,包括密实的phosphorene–graphene(PG-SPS)复合电极材料Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201600453)和磷基纳米片Advanced Energy Materials,(DOI: 10.1002/aenm.201502409)。在这些工作的基础上,进一步设计出零维过渡金属磷化镍和二维超薄黑磷0D–2D Ni2P@BP异质结,表现出优越的能源转换与储存特性。

研究人员首先通过气相传输的方法,获得了高质量、大尺寸黑磷单晶,然后在氩气保护下,冰水浴中,进行了超声剥离,最后通过溶剂热反应,首次合成出0D–2D Ni2P@BP异质结。在热电转换方面,0D–2D Ni2P@BP异质结与黑磷相比,在室温下,能有效的降低热导率(从44.5到7.69 W m–1 K–1),提高载流子浓度(1.25 × 1017到1.37 × 1020 cm–3)和导电性(从2.12 × 102到6.25 × 104 S m–1)。同时,0D–2D Ni2P@BP异质结作为锂离子电池负极材料,能够提高锂离子扩散系数(从1.14 × 10–14到8.02 × 10–13 cm2 s–1),较高的储锂容量(在100 mA g1扫速下,可达到1196.3 mA h g1的可逆容量),并且具有较好的循环稳定性(在电流密度为1 A g–1扫速下,经过1000次循环,可达到743.7 mA h g–1的可逆容量)和高速率性能(例如在电流密度为10 A g–1扫速下,可达到322.0 mA h g–1的可逆容量)。另外,作为电催化产氢催化剂,0D–2D Ni2P@BP异质结在达到10 mA cm–2电流密度时,其过电位只有107 mV,Tafel斜率仅为38.6 mV dec–1,并且在酸性条件下具有长时间循环稳定性。

该研究成果在设计合成过程中,主要利用了:(1)过渡金属磷化物纳米晶可以给超薄黑磷纳米片注入电子,有效调节载流子浓度;同时,超薄黑磷纳米片可以为载流子的长程扩散提供路径及较少的界面散射;(2)嵌入在超薄黑磷纳米片表面的过渡金属磷化物纳米晶极大的增强了声子散射,降低了热导率;(3)过渡金属磷化物纳米晶可以防止超薄黑磷纳米片的堆积,同时,超薄黑磷纳米片阻止了过渡金属磷化物纳米晶的团聚,能够有效的维持高比表面积和大量的活性位点。

0D–2D Ni2P@BP异质结不仅可以用于开发柔性热电器件,能源储存电极,和电催化分解水催化剂,也为超薄黑磷异质结的研究开辟了新思路。相关工作发表在Advanced Energy Materials( DOI: 10.1002/aenm.201601285)上。