伦敦大学学院开发的单原子厚砷磷合金带材有望变革电池和太阳能电池工艺

伦敦大学学院（UCL）的研究人员开发出了由磷和砷合金组成的一原子厚的带状材料。这项创新有望显著提高电池、超级电容器和太阳能电池等各种设备的效率。

研究小组于 2019 年发现了纳米磷带。这种"神奇材料"预计将彻底改变从电池到生物医学传感器等各种设备，后来被用于提高锂离子电池的寿命和太阳能电池的效率。然而，纯磷材料的导电性能并不理想，妨碍了它们在某些应用中的使用。

在这项发表在《美国化学学会杂志》上的新研究中，研究人员创造出了由磷和微量砷制成的纳米带，他们发现这种纳米带能够在摄氏零下 140 度以上的温度下导电，同时还保留了纯磷带非常有用的特性。

砷磷烯纳米带 资料来源：《美国化学学会杂志》（2023 年）。DOI: 10.1021/jacs.3c03230

资深作者亚当-克兰西（Adam Clancy）博士（伦敦大学洛杉矶分校化学系）说："早期的实验工作已经表明，我们 UCL 团队在 2019 年首次创造出的磷纳米带具有非凡的前景。例如，2021 年的研究表明，在过氧化物太阳能电池中加入纳米带作为层，可以使电池从太阳中获取更多能量。我们在将纳米磷带与砷合金化方面的最新工作开辟了更多可能性--特别是改善电池和超级电容器的能量存储，以及增强医学中使用的近红外探测器。砷磷纳米带还具有磁性，我们认为磁性来自于边缘的原子，这使得它们也有可能用于量子计算机。"

更广泛地说，这项研究表明，合金化是控制这种不断增长的纳米材料家族的特性，从而控制其应用和潜力的有力工具。研究人员说，同样的技术也可用于制造磷与硒或锗等其他元素的合金。

要用作锂离子或钠离子电池的阳极材料，目前磷纳米带需要与碳等导电材料混合。加入砷后，就不再需要碳填料，而且可以去除碳填料，从而提高电池的储电量和充放电速度。

同时，在太阳能电池中，砷磷纳米带可以进一步改善电荷在设备中的流动，从而提高电池的效率。

研究小组制作的砷磷纳米带通常只有几层高，几微米长，几十纳米宽。它们是由磷和砷薄片形成的晶体与溶解在零下 50 摄氏度液氨中的锂混合而成（24 小时后，氨被移除，取而代之的是有机溶剂）。这些薄片的原子结构意味着锂离子只能沿一个方向移动，而不能横向移动，这就造成了裂纹，从而形成了带状晶体。

纳米带的一个主要特点是它们还具有极高的"空穴迁移率"。空穴是电子在电子传输过程中的反向伴侣，因此提高空穴的迁移率（衡量空穴在材料中移动速度的指标）有助于提高电流传输的效率。

这种纳米带可以在液体中大规模生产，然后以低成本大量应用于不同的应用领域。

磷纳米带是由克里斯-霍华德教授（UCL 物理与天文学）领导的跨学科团队在 UCL 发现的。自 2014 年分离出二维磷烯薄片以来，已有 100 多项理论研究预测了生产这种材料的窄带可能产生的令人兴奋的新特性。