近日，中國科學院深圳先進技術(shù)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(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、材料科學等領(lǐng)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(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(yīng)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(shè)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）?？蒲腥藛T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。