Chem. Mater.: 电化学插层法实现二维黑磷的快速可控制备。

二维黑磷兼具优异的载流子迁移率（>1000 cm²Vs^-1）和层数相关的连续带隙结构（0.3-2.1 eV）。此外，任意层数的黑磷都具有直接能级带隙，该性质使得其在光电器件领域的应用具有得天独厚的结构优势。然而当前基于二维黑磷的研究基本集中于以机械剥离法为核心的基础理论研究，许多黑磷的性质和应用难题仍亟待解决。其中，高品质黑磷的可控制备是限制其应用的核心瓶颈问题之一。

由于黑磷本身对水和氧气的不稳定性，当前的剥离方法基本集中于惰性气氛保护下的溶液超声或者剪切剥离，该种方法制备的二维黑磷样品尺寸通常处于几十至数百纳米量级，而且制备方法普遍需要数小时之久。电化学插层是近年兴起来的一种分离和制备二维材料的新方法，电化学剥离机理类似于基于层状材料的充放电过程。选择合适的电压条件和电解液成分理论上可以实现黑磷的插层结构，从而获得分离的二维黑磷。然而，基于黑磷本身的不稳定性和独特的褶型结构，插层粒子的选择，黑磷结构的保护以及剥离电位区间的调控等条件的调整是该领域所面临的新难题。

图1. 基于电化学法阴极插层和剥离黑磷的机理图示。

该报道提出基于电化学阴极插层策略，高效地实现了体相黑磷的可控插层（图1），并成功应用于二维黑磷的分离与制备。在这项工作中，苏陈良教授团队通过设计插层阳离子的尺寸和溶剂化作用，可以有效地通过阴极电位调控黑磷插层阶段。插层粒子在黑磷的层间分解可以进一步获得高度膨胀黑磷，该种黑磷结构可以进一步通过超声或者震荡处理得到分离的二维黑磷分散溶液。

值得注意的是，该种插层方法的整个过程都在空气中直接进行，电解液可以起到液封保护黑磷的作用，原子力显微镜统计结果表明剥离二维黑磷的平均厚度为5层，平均尺寸~10 μm²。高分辨透射电镜表明二维黑磷结构完整没有氧化缺陷。相应的场效应晶体管测试结果表明二维黑磷的平均空穴迁移率~60 cm²V^-1s^-1,平均开关比~10⁴。该种二维分散液可以进一步与喷墨打印技术相兼容，从而可以在各种基底表面实现图案化打印。

图2.剥离二维黑磷的(a)原子力显微镜和（b)透射电镜图像及(c)电子能量损失谱。(d)基于剥离二维黑磷的场效应晶体管转移曲线。(e-f)二维黑磷分散溶液通过喷墨打印技术在4英寸SiO₂和柔性PET薄膜上的图案化打印。插图为基于该种电化学法制备的1升二维黑磷分散溶液。

该研究特色在于通过阳离子和溶剂化作用的选择提出了黑磷的阴极插层方法。相较于传统阳极插层技术而言，阴极剥离法对于材料本身破坏性更小，更有助于保留材料本身的优异特性。另外，该种方法简易有效，有望实现大规模量产，能极大地解决当前二维黑磷的制备难题。研究工作得到国家自然科学基金、深圳市孔雀计划和孔雀团队、广东省科技创新项目的财政支持。深圳大学李景博士后为第一作者，新加坡国立大学陈橙博士生为共同一作，苏陈良教授和教育部国际合作实验室客座教授吕炯教授为责任通讯人。

苏陈良教授简介：2015年加入深圳大学二维材料国际合作联合实验室范滇元院士团队，被聘为教授；2016年被遴选为博导；2017年入选荔园优青培养计划；2018年入选广东省特支计划科技创新青年拔尖人才。苏陈良教授一直从事二维材料化学制备、物性调控及其催化与能源应用研究，以通讯作者或者第一作者身份发表了多篇高水平学术论文，影响因子大于9 的中科院一区论文有《Nature Communications》、《Angewandte Chemie International Edition》、《Materials Horizons》、 《ACS Catalysis》，《J. Mater. Chem. A》、《Advanced Science》、《Applied Catalysis B: Environmental》等，上述论文深圳大学皆为第一完成单位。