磷科学前沿与技术丛书--黑磷、白磷基础及应用

1.本书是重点书。本书是“十四五”国家重点出版物出版规划项目“磷科学前沿与技术丛书”的一个分册。 2.系统阐述了黑磷在全面地总结了磷单质科学在基础与研究领域取得的新成果，内容包括：黑磷的制备及表面活性，黑磷在光电器件、能源催化、生物医药、生化检测等领域的应用，白磷的活化与应用，红磷的应用等。 3.重点介绍了的黑磷创新发展，并展望了单质磷的发展趋势。

磷是一种难以再生的重要非金属矿资源，也是生命物质的重要成分，磷矿资源的保护、开发、利用有着重要战略意义。实现磷资源的高附加值应用，推动磷科学可持续发展，将有力地支撑我国先进制造2030和碳中和事业。从1669年发现白磷至今，多种不同结构的磷单质逐渐被发现。其中白磷、红磷和黑磷是主要的同素异形体，在军事、化工、微电子、能源、生物医药等众多领域均有所应用。例如，由于白磷燃点较低，曾被用于燃烧弹、烟罐和烟幕弹等武器的核心原料；红磷常作为阻燃剂添加于无机物或高分子材料当中；黑磷是热力学稳定性最好的一种磷单质，剥离得到的黑磷纳米片、量子点呈现出独特的理化特性，有望应用于光电器件、能源催化、生物医药、生化检测等诸多领域。黑磷的发现不仅拓展了单质磷材料的应用边界，丰富了无机磷功能材料的研究意义，也进一步提升了磷资源的应用价值。随着单质磷材料相关研究的进一步系统化、完整化，无机磷材料对于人类社会的发展将产生更为深广的影响。
本书共10章，总结了磷单质科学在基础与应用领域所取得的新成果。主要内容为：白磷的活化与应用；红磷的应用；黑磷的制备；黑磷的表面改性；黑磷在微电子与光电子领域、能源催化领域、生物医药领域的应用；磷单质研究展望。
本书的编写参考了国内外的有关科技著作、相关教材和研究论文等资料，每章均列出了参考文献，在此向原著及出版机构表示衷心的感谢。
编写过程中也得到了相关科技人员的指导，在此表示衷心的感谢！也诚恳地希望读者给予斧正。

编著者
2023年2月

本书为“磷科学前沿与技术丛书”分册之一。本书系统、全面地总结了磷单质科学在基础与研究领域取得的新成果，内容包括：白磷的活化与应用，红磷的应用，黑磷的制备及表面改性，黑磷在微中子与光电子、能源催化、生物医药、生化检测等领域的应用等。本书适合高分子材料学、高分子物理与化学、精细化工、安全科学与工程等专业的大专院校师生及相关科技人员阅读。

1 绪论 001
1.1 引言 002
1.2 白磷基本结构与性质 003
1.3 红磷基本结构与性质 008
1.4 黑磷基本结构与性质 011
1.4.1 黑磷的结构 011
1.4.2 黑磷的物理性质 012
1.4.3 黑磷的化学性质 015
参考文献 017

2 白磷的活化与应用Ⅰ 023
2.1 引言 024
2.2 有机小分子与白磷的反应 029
2.3 亲核试剂与白磷的反应 031
2.4 卡宾类化合物与白磷的反应 045
2.5 自由基类化合物与白磷的反应 050
2.6 正离子类化合物与白磷的反应 053
参考文献 055

3 白磷的活化与应用Ⅱ 063
3.1 金属单质与白磷的反应 064
3.2 低价金属配合物与白磷的反应 064
3.3 金属氢化物与白磷的反应 077
3.4 光化学活化白磷 080
3.5 电化学活化白磷 082
3.6 白磷活化产物的转化与应用 083
3.7 白磷活化的发展趋势 087
参考文献 087

4 红磷的应用 095
4.1 引言 096
4.1.1 红磷的结构 097
4.1.2 红磷的化学反应活性 100
4.2 红磷在材料科学中的应用 101
4.2.1 火柴中的应用 102
4.2.2 防火材料的应用 103
4.2.3 作为合成助剂 107
4.2.4 在电池中的应用 109
4.3 红磷作为磷源在合成化学中的应用 115
4.3.1 烯烃类化合物的膦化反应 116
4.3.2 卤代烃类化合物的膦化反应 121
4.3.3 与炔烃反应 127
4.3.4 环氧乙烷类化合物的膦化反应 129
4.3.5 NaPH2的制备 130
4.4  红磷应用的展望 132
参考文献 135

5 黑磷的制备 145
5.1 引言 146
5.2 黑磷晶体的制备 147
5.2.1 高压法 147
5.2.2 液态铋共熔法 148
5.2.3 低压气相传输矿化法 150
5.3 黑磷多晶的制备 155
5.4 黑磷薄膜的制备 156
5.4.1 在柔性基底上制备黑磷薄膜 156
5.4.2 以蓝宝石作衬底合成黑磷薄膜 157
5.5 黑磷烯的制备 158
5.5.1 机械剥离法 158
5.5.2 液相剥离法 160
5.5.3 化学气相沉积法 169
5.6 黑磷纳米带的制备 169
5.7 本章小结 170
参考文献 171

6 黑磷的表面改性 175
6.1 引言 176
6.2 黑磷表面改性的原因 176
6.3 黑磷表面改性方法的分类 179
6.3.1 黑磷的物理改性方法 179
6.3.2 黑磷表面的化学改性 182
6.4 总结和展望 192
参考文献 193

7 黑磷的应用Ⅰ：微电子与光电子领域 197
7.1 引言 198
7.2 黑磷场效应晶体管 200
7.2.1 功能化掺杂制备高性能黑磷晶体管 202
7.2.2 改善接触制备高性能黑磷晶体管 205
7.2.3 更换电介质获得高性能黑磷晶体管 208
7.3 黑磷传感器 210
7.3.1 黑磷光电探测器 210
7.3.2 黑磷气体传感器 215
7.3.3 黑磷湿度传感器 218
7.3.4 黑磷离子传感器 221
7.3.5 黑磷生物传感器 223
7.4 黑磷异质结器件 224
7.4.1 黑磷-TMDs 226
7.4.2 黑磷-石墨烯 229
7.4.3 黑磷-氮化硼 231
参考文献 233

8 黑磷的应用Ⅱ：能源催化领域 237
8.1 引言 238
8.2 黑磷在电催化领域的应用 240
8.2.1 析氢反应 241
8.2.2 析氧反应 244
8.2.3 乙醇氧化反应 246
8.3 黑磷在光催化领域的应用 248
8.3.1 光催化产氢 249
8.3.2 二氧化碳光还原 251
8.3.3 加氢反应 252
8.3.4 光催化有机染料降解 254
8.4 黑磷在储能器件领域的应用 258
8.4.1 锂离子电池 260
8.4.2 锂硫电池 271
8.4.3 钠离子电池 273
8.4.4 超级电容器 277
8.5 黑磷在太阳能电池领域的应用 284
8.5.1 光伏器件 285
8.5.2 太阳能电池 286
参考文献 295

9 黑磷的应用Ⅲ：生物医药领域 303
9.1 引言 304
9.2 黑磷生物学应用前提 305
9.3 黑磷在抗肿瘤领域的应用 309
9.3.1 光热治疗/光动力治疗 310
9.3.2 药物载体 316
9.3.3 黑磷自身的抗肿瘤活性 319
9.3.4 诊疗一体化趋势 324
9.4 黑磷在抗菌方面的应用 331
9.5 黑磷在组织工程方面的应用 335
9.6 黑磷在生物检测方面的应用 338
9.6.1 气体检测 339
9.6.2 生物大分子检测 343
9.6.3 液/固相无机物检测 349
9.7 黑磷在其他生物方面的应用 355
参考文献 358

10 磷单质研究展望 365
10.1 引言 366
10.2 单质磷同素异形体的再发现 367
10.2.1 其他构型的磷单质 367
10.2.2 其他形状的磷单质 374
10.2.3 发展迅猛的磷复合材料 375
10.3 磷科学与磷化工 376
10.4 结语 378
参考文献 379

缩写说明 382

索引  384