近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所喻學鋒、王佳宏團隊與中國科學院生態環境研究中心江桂斌、曲廣波團隊合作，在國際知名學術期刊Chemical Society Reviews（IF=46.2）上以正封面故事（Outside front cover）的形式發表綜述論文Renaissance of elemental phosphorus materials: properties, synthesis, and applications in sustainable energy and environment（圖1）。

論文系統總結了單質磷材料的發展歷史、物化性質、合成策略以及可持續能源與環境應用相關的研究，并進一步展望了單質磷材料的未來研究趨勢，特別是關注了新同素異形體預測、特殊理化性質探索、大規模合成及應用優化等關鍵領域。

當期封面與論文上線截圖

單質磷材料（Elemental Phosphorus Materials, EPMs）獨特的多態性使其在物質科學領域受到越來越多的關注。本綜述從磷元素的發現、到歷史上各單質磷結構的測定、再到近期基于機器學習的結構搜索，系統回顧了單質磷材料的發現過程。對白磷、黑磷、非晶紅磷、藍磷、紫磷和纖維磷等代表性單質磷材料迥異的原子結構、豐富的電聲子性質、多變的氧化還原活性和穩定性等進行了總結。從理論和實驗的角度分析了這些理化特性的結構起源，并詳細討論了各種單質磷材料之間的共性與差異（圖2）。

圖2.不同單質磷材料的原子結構示意圖

值得注意的是，單質磷材料并非天然產物，所有單質磷都需要人工合成，因此，高效綠色的合成策略在單質磷材料的發展中有決定性的作用。論文梳理了各類單質磷材料不同維度（0D，1D，2D或3D）結構的自上而下或自下而上的合成策略，涵蓋了從塊狀晶體到層狀薄片，再到納米帶和量子點等多種形態（圖3）。于此同時，論文還簡述了針對微納米結構開發的摻雜、包覆等功能化技術。

圖3.按照形貌維度分類的單質磷材料結構示意圖

近年來，單質磷材料在多種能源環境相關領域的應用場景中嶄露頭角（圖4）。首先，單質磷的微納材料覆蓋了從紫外到紅外較寬的光譜范圍和明顯的富電子特性，因此在水分解、二氧化碳轉化、固氮等領域表現出可觀的光、電催化性能；其次，單質磷材料的堿金屬離子存儲容量大、電位適中、層間距大，是儲氫、堿金屬電池、超級電容器等各種儲能器件的重要候選電極材料；此外，單質磷材料在化學分子傳感、污染物降解、細菌消毒、土壤修復等領域也得到了越來越多的關注。

圖4.單質磷材料及其衍生物在能源轉換儲存和環境修復等領域的應用總結

總之，得益于先進的結構分析方法和納米制造技術，單質磷材料的研究在過去十年里取得了巨大進展。涌現出來的新性質、新應用不僅讓磷單質這一古老的材料煥發新生，也加深了研究人員對單質磷材料的結構、性質與功能之間關系的理解。磷作為我國的關鍵戰略礦產資源，發展單質磷材料的新型大規模的綠色合成技術及高附加值工業產品具有重要意義。在未來的研究中不僅要尋找性能更優異的磷單質材料或微納米結構，還應關注其在環境中的回收與再利用。

中國科學院深圳先進技術研究院材料界面中心喻學鋒研究員、王佳宏副研究員和中國科學院生態環境研究中心曲廣波研究員為論文的共同通訊作者，博士研究生田海江為論文的第一作者，生態環境研究中心江桂斌院士、香港城市大學Paul K. Chu（朱劍豪）教授、深圳先進院碩士研究生賴耿昌為本文的撰寫提供了大力支持。該項工作得到國家自然科學基金委、深圳市科技創新委員會、中國科學院青年創新促進會和中國科協青年人才托舉工程的大力支持。

來源：中國科學院深圳先進技術研究院