纳米黑磷应用在阻燃领域的研究进展

蒋运才，付 姣，李雪梅，曹昌蝶，梅 毅，廉培超

（1. 昆明理工大学化学工程学院，云南昆明 650500；2. 云南省磷化工节能与新材料重点实验室，云南昆明 650500；3. 云南省高校磷化工重点实验室，云南昆明 650500；4. 昆明黑磷科技服务有限责任公司，云南昆明 650500）

目前，高分子材料已经在能源、航空航天、军工、通讯、建筑、轨道交通、高端产业等领域得到广泛应用［1-2］。然而，大部分高分子材料含有碳、氢两种元素，其受热分解的温度较低，容易燃烧。阻燃剂是一类可以阻止材料燃烧的助剂，它能减少燃烧时所释放的热量，降低有毒有害气体的释放量。所以，阻燃剂的开发与利用对于保障人类的生命健康和财产安全具有重要意义。常用的阻燃剂有卤系阻燃剂和磷系阻燃剂。研究表明卤系阻燃剂的大量使用会对人类的生存环境与身体健康造成极大危害［3-4］，有些国家已经明令禁止使用。磷系阻燃剂可实现阻燃无卤化，更安全。磷系阻燃剂又可分为有机磷系阻燃剂和无机磷系阻燃剂。有机磷系阻燃剂如磷酸酯、有机磷盐、含磷多元醇等多为液态，存在易挥发、燃烧时发烟量较大、热稳定性差等缺点，且其磷含量较低，添加量大时才能起到较好的阻燃效果，所以其应用也受到了一定的限制。无机磷系阻燃剂包括聚磷酸铵、红磷、黑磷（BP）等。其中，聚磷酸铵受聚合度的限制，不耐水洗；红磷存在难以纳米化、与高分子材料相容性差、用量较多、颜色鲜艳等问题，一定程度上限制了其在阻燃领域的应用。

黑磷是近年被广泛研究的一种新型精细磷化工产品，因其用于高分子材料阻燃时具有用量少、阻燃效果好等优点，在阻燃领域具有很好的应用前景。通过剥离黑磷可制备出纳米黑磷，因纳米黑磷以超细的尺寸存在，在高分子材料内部的分散性好。此外，可通过结构设计，如引入其他阻燃剂协同阻燃或通过功能化修饰等手段提高纳米黑磷的稳定性，进一步提高其在高分子材料内部分散的均匀性，从而较大幅度地提升高分子材料的阻燃性能。笔者从单一纳米黑磷阻燃、纳米黑磷功能化修饰阻燃、纳米黑磷与其他阻燃剂协同阻燃3个方面综述纳米黑磷在阻燃领域的应用研究，展望纳米黑磷在阻燃领域应用的发展趋势，以期促进纳米黑磷在阻燃领域的应用研究。

1 单一纳米黑磷阻燃研究进展

2018 年，昆明理工大学廉培超教授所在课题组首次将纳米黑磷用于阻燃［5］。他们采用超声剥离法合成了黑磷烯（纳米黑磷的一种）-水性聚氨酯（WPU）复合聚合物，仅需添加质量分数为0.2%的黑磷烯，便可使得WPU的极限氧指数（LOI）提高2.6%，热释放速率（HRR）下降34.7%，峰值热释放速率（PHRR）降低10.3%，并证明了黑磷烯的添加能够有效地抑制WPU 的热降解及熔滴作用，对高分子材料具有阻燃的功效。此外，燃烧残炭中检测到P—C、P—O—C 键，表明黑磷烯具有催化成炭的作用。基于以上结果分析，他们提出了黑磷烯在WPU 中的阻燃机制：当温度升高到240 ℃左右时，部分黑磷烯开始夺取WPU 中的氧原子并转化为多聚磷酸和磷酸酐（一般指P2O5），促进炭层的形成，此时主要为凝聚相阻燃。当温度达到420 ℃左右时，黑磷烯可同时在气相和凝聚相中发挥阻燃作用。一方面，大部分的黑磷烯通过吸收周围的氧原子和氢原子在气相中形成PO·和HPO·，PO·和HPO·与高分子材料受热释放的H·和OH·发生反应，从而抑制WPU 燃烧的链式反应。另一方面，残留在固相中少部分的黑磷烯仍具有催化成炭的作用，继续形成更厚的炭层以达到更好的阻燃效果。这是纳米黑磷在国际上首次被应用于阻燃领域，并发现其较少的添加量便可起到阻燃效果，同时初步阐述了其在高分子材料中的阻燃机制，为后续黑磷作为高分子材料阻燃剂的研究工作奠定了坚实的理论及实践基础。

为了进一步探究纳米黑磷的添加对其他高分子材料阻燃性能及机械性能的影响，北京石油化工学院LI 等［6］对单一纳米黑磷阻燃环氧树脂（EP）进行研究。他们通过电化学剥离法制备出厚几纳米、尺寸为几十微米的黑磷纳米片用作EP 的阻燃添加剂。通过UL-94 垂直燃烧仪测试发现，加入少量（质量分数为0.1%或0.2%）的黑磷纳米片，样品的燃烧时间缩短了1/2，燃烧面积减少1/2，这表明黑磷纳米片的添加能明显提高EP 的阻燃性。黑磷纳米片的添加质量分数达到0.56%时，燃烧不剧烈，并观察到样品表面已经形成了致密的炭层。当EP中加入质量分数0.94%的黑磷纳米片时，试样的燃烧时间明显缩短，BP/EP纳米复合材料的阻燃性能达到了UL-94 V-0级。此外，他们还发现纳米复合材料的力学性能随纳米黑磷加入量的变化曲线为抛物线，即纳米黑磷的加入量有一个最佳值。加入量低于该最佳值，纳米黑磷不能充分提高复合材料的机械性能；加入量高于该最佳值时，纳米黑磷可能会阻碍环氧树脂的固化和三维交联网络的形成。最终结果表明，当纳米黑磷添加质量分数为0.94%时，BP/EP复合材料的弯曲强度和弯曲模量比单一EP 提高了30%以上。这主要归因于纳米黑磷纳米结构的尺寸效应，可以同时改善高分子材料的力学性能和阻燃性能。

纳米黑磷的添加在一定程度上改善了高分子材料的阻燃性能。然而，单一纳米黑磷对高分子材料的阻燃性能及机械性能的提升都是比较有限的，不同的添加量对高分子材料机械性能的改善程度也不一样，添加量过大甚至会降低高分子材料的机械性能，并且单一纳米黑磷还存在稳定性差的问题。此外，目前仅研究了黑磷烯的阻燃性能，不同结构形貌纳米黑磷对高分子材料阻燃性能的影响有待研究。

2 纳米黑磷的修饰/协同阻燃研究进展

为了进一步提升纳米黑磷用于高分子材料阻燃时的性能，一方面，研究者们通过官能团修饰提高纳米黑磷的稳定性，改善纳米黑磷在高分子材料中的分布状态，使其分布更均匀；另一方面，通过添加石墨烯、碳纳米管等材料形成键合作用来稳定纳米黑磷。更重要的是，石墨烯等纳米材料与聚合物具有良好的相容性及阻燃性，可以有效提高聚合物的机械性能，同时与纳米黑磷实现协同阻燃，提升对高分子材料的阻燃功效。

2.1 纳米黑磷的功能化修饰阻燃

中国科学技术大学胡源教授课题组［7］首次通过球磨法制备了氨基化黑磷（BP-NH2），然后在BP-NH2表面原位缩聚合成以三聚氰胺和氰脲酰氯作为单体的三嗪基共价有机框架，从而形成有机-无机杂化物（BP-NH-TOF），随后将其掺入EP 基质中以制备EP 纳米复合材料。结果表明，添加质量分数2%的BP-NH-TOF 可使得EP 复合材料PHRR 和THR （总释放热） 分别降低61.2%和44.3%，同时显著改善了LOI（29.0%），有毒一氧化碳和易燃挥发性气体的量也明显减少。复合材料阻燃性能的显著提高主要归因于BP-NH2的催化成炭效应与BP-NH-TOF 的物理屏障效应的共同作用。然而，先氨基化再修饰的过程较为烦琐，为了简化制备步骤，提高制备效率，QIU等［8］直接通过4，4-二氨基二苯醚和六氯环三磷腈在黑磷纳米片表面的一步缩聚反应得到具有丰富—NH2官能团的交联聚磷腈官能化BP（BP-PZN），然后将合成的BP-PZN 加入EP 制备EP/BP-PZN 纳米复合材料（见图1）。相关研究结果表明，BP-PZN 均匀分布在聚合物基体中，2% BP-PZN 的引入显著提高了EP 的阻燃性能，主要表现为PHRR 降低了59.4%，THR 降低了63.6%。同时，由于PZN 在BP 纳米片的表面包裹和嵌入聚合物基体的双重保护下，使得EP/BP-PZN纳米复合材料在环境条件下暴露4个月后仍表现出优异的稳定性。

图1 BP-PZN纳米杂化材料和EP/BP-PZN纳米复合材料的制备过程［8］

然而，以上纳米黑磷表面修饰的方法还存在一些问题，如纳米黑磷与修饰材料之间的吸附能未知。修饰前对材料间的吸附能进行计算，能减少不必要的探索实验，提高实验效率。QU等［9］首先通过密度泛函理论（DFT）计算出三聚氰胺-甲醛分子（MF）对BP 纳米片的吸附能为-0.63 eV，表明BP纳米片和MF之间容易结合在一起。然后将功能化的BP（BP@MF）引入到EP中，评价其热稳定性和阻燃性能。得益于MF 的功能化，BP 在EP 基体中分散更均匀，避免了纳米黑磷团聚现象。在EP基体中加入质量分数1.2%的BP@MF 后，残炭率显著提高了70.9%，这归功于BP@MF 优异的热稳定性和催化成炭的效果。通过UL-94 垂直燃烧仪、微型燃烧量热仪对其阻燃性能进行评估，LOI提高了25.9%（达到31.1%）， PHRR 降低了43.3%，火焰增长率降低了41.2%，这归因于BP@MF 对传热的抑制和对氧气的隔离。低于400 ℃时，MF 升华吸热，BP@MF 促进膨胀炭层的形成；在400 ℃以上时，BP可以捕捉自由基并催化成炭。

为了探究纳米黑磷的添加对除EP 以外其他高分子材料如聚氨酯阻燃性能的影响，CAI 等［10］通过超声辅助剥离法制备了单宁酸（TA）修饰的纳米黑磷，然后通过溶剂共混法将其掺入热塑性聚氨酯（TPU）制备TPU/TA-BP复合材料。作为一种天然抗氧化剂，TA 通过释放强的氢受体消除纳米黑磷上的超氧自由基以达到稳定纳米黑磷的目的［11］（见图2），且TA的修饰也进一步改善了纳米黑磷在高分子材料中的分散性。研究结果表明，TA-BP的加入使得TPU燃烧期间的PHRR、THR、CO释放浓度峰值和CO2释放浓度峰值分别降低了56.5%、43.0%、57.3%和31.3%。BP 和TA 协同作用显著降低了CO2和CO的释放量。由于TA的功能化，使得黑磷纳米片与高分子材料之间具有强的界面作用，使BP纳米片分散良好，从而在聚合物基体的各个位置呈现阻隔效应。同时，高温下TA热解产生稳定且能捕捉高活性自由基的苯氧基自由基，从而抑制燃烧反应的进行。此外，较高的石墨化程度使炭渣具有一定的机械强度，从而保护底部聚合物免受火灾。

图2 单宁酸对黑磷纳米片的保护机制［11］

具有抗氧化性TA 的修饰提高了纳米黑磷的稳定性，受此启发，具有优异热稳定性的离子液体也被用于纳米黑磷的改性修饰。1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐作为一种离子液体（IL），具有有机阳离子和乙烯基结构，可通过静电驱动自组装使其覆盖在带负电荷的BP 纳米片表面。静电相互作用首先驱动带正电荷的氨基胶束分子剥离并覆盖在BP 纳米片表面，然后引发氨基胶束乙烯基结构的自由基聚合，最终在BP 纳米片表面形成聚合的IL 涂层。这一涂层可提高纳米黑磷的稳定性，有效增强BP 纳米片与聚合物基体的界面相互作用，从而使得纳米黑磷在聚合物中的分散性更好，呈现出更优异的阻燃性能。CAI 等［12］采用静电驱动自组装和原位自由基聚合相结合的方法将IL 覆盖在BP 纳米片表面形成IL 修饰的BP 纳米片，通过溶剂共混法制备了TPU/IL-BP 复合材料，IL 涂层作为连接BP 纳米片与TPU的桥梁，使得TPU具有良好的力学性能和阻燃性能。添加质量分数1.0% 的IL-BP 可使得TPU的断裂强度显著提高50%，添加质量分数2.0%的IL-BP 使得TPU 的PHRR 和THR 分别降低38.2%和19.7%，最大CO2浓度和CO 浓度峰值分别降低36.9%和26.5%。通过对燃烧残渣和热解产物的研究发现，大量的热解产物与IL-BP纳米片反应形成机械强度高的保护焦和固体产物，不再作为支持燃烧的燃料。该设计路径有效调控了BP 纳米片与聚合物基体的界面相互作用，为制备高性能阻燃材料提供了一条实用的途径。

然而，黑磷的剥离制备大部分都是通过低效率的超声剥离法［12］。为了在提高剥离/插层效率的同时改善纳米黑磷的稳定性，ZHOU 等［13］通过水热反应制备了锂化的黑磷纳米片，然后用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）功能化黑磷纳米片，详细制备过程见图3。十六烷基三甲基溴化铵作为一种长烷基链的阳离子表面活性剂，可与带负电荷的BP纳米片通过静电相互作用，得到CTAB功能化修饰的黑磷烯，最终将其引入聚乳酸（PLA）制备PLA/BP-CTAB复合物，并评估其阻燃性能。结果表明，与纯的PLA 相比，添加质量分数2.0%的BP-CTAB复合材料可使PHRR 降低38%，达到PHRR 的时间从157 s 延迟到200 s，提高了PLA 的防火安全性能。其明显提高的阻燃性能是由于BP 和CTAB 复合形成了P—N 键，稳定了纳米黑磷，同时发挥了两者共同阻燃的功效。

图3 PLA/BP-CTAB复合物制备流程［13］

虽然通过溶剂热法，以具有较高反应活性的锂离子进行插层，一定程度上提高了黑磷的剥离效率，但总体剥离时间仍然较长（＞14 h）。研究者通过更高效的电化学剥离法，选择具有良好生物相容性和生态友好且已被用作聚合物的生物基阻燃剂的植酸［14］作为表面改性剂和有效电解质，制备了高质量植酸改性的BP 纳米片，然后将所得植酸改性的BP与Co（NO3）2·6H2O溶液混合以制备植酸钴功能化的BP 纳米片，定义为BP-EC-Exf［15］。BPEC-Exf 的具体制备工艺：以BP 晶体为阳极，铜片为阴极，0.1 mol/L 植酸水溶液为电解液，向BP 晶体施加5 V 的初始电压1 min，以促进润湿；然后增加电压到10 V，随着微小的颗粒从BP 晶体中慢慢释放出来，溶液变成黄色；2 h 后，溶液的颜色变暗，剥离完成。随后，将所得植酸改性的BP 与Co2+形成复合物，以制备BP-EC-Exf。最终将BPEC-Exf 引入聚氨酯丙烯酸酯（PUA）制备PUA/BP-EC-Exf 复合材料。研究结果显示，将BP-ECExf引入PUA基体后，PUA的拉伸强度和拉伸断裂应变显著提高，分别增加了59.8%和88.1%。PUA/BP-EC-Exf纳米复合材料的PHRR和THR分别降低了44.5%和34.5%。其阻燃性能的提高是由于加入BP-EC-Exf 后，BP 纳米片的物理屏障效应和植酸钴的催化成炭作用，使得PUA 分解过程中挥发性产物的释放明显受到抑制。

除了将纳米黑磷单纯地用于高分子材料的阻燃研究之外，中国科学技术大学LI等［16］以及四川大学DU等［17］将黑磷阻燃与光热转换的功能相结合，制备了具有极高储能密度和优异太阳能热转换效率的相变材料。DU等［17］通过超声辅助剥离法制备了黑磷纳米片，然后，将正二十八烷浸渍到纤维素纳米纤维（CNF）/BP 杂化的气凝胶中，制备了新型稳定的多孔气凝胶相变材料。多孔气凝胶充分支撑正二十八烷并防止液体泄漏。在气凝胶中掺入BP 纳米片显著提高了相变材料的热导率（提高了89.0%）以及光热转换和储存效率（高达87.6%）。此外，随着气凝胶中BP 纳米片含量增加，复合材料的热释放速率和总释放量显著降低，而LOI值和炭产率增加，表明纳米黑磷的添加不仅提高了复合材料的光热转换效率，还赋予了其显著的阻燃功效。

总之，得益于官能团、有机物或金属离子的修饰，改善了纳米黑磷的稳定性及其在高分子材料内部的分散性，提高了复合材料的机械性能以及阻燃性能。此外，将纳米黑磷用于相变材料，不仅提升了材料的相变转化效率，也改善了相变材料的阻燃性能。实际上，纳米黑磷的双重功效不仅体现在相变阻燃材料的应用上，还体现在二次储能电池如锂离子电池、钠离子电池的应用上。由于纳米黑磷具有高的理论比容量（2 596 mA·h/g）及优异的阻燃性能，用于储能电池负极材料时，不仅可以大幅度提高电池的比容量，还有望提升电池的安全性，这也是笔者所在课题组今后重点聚焦的研究工作。

2.2 纳米黑磷与其他阻燃剂复合协同阻燃

除了通过对纳米黑磷修饰以提高其自身的稳定性，使其更均匀地分散在高分子材料中，从而获得优异的阻燃性能之外，还可以将纳米黑磷与其他阻燃剂如石墨烯、六方氮化硼、石墨相氮化碳复合，改善其稳定性的同时实现协同阻燃，进一步提升高分子材料的阻燃性能。

昆明理工大学REN 等［18］首次通过高压均质法制备了黑磷烯/石墨烯（BP/G）复合材料，并通过XRD 和Raman 分析证实了P—C 键的形成；然后将BP/G复合材料加入WPU基质中超声2 h，使得纳米材料均匀分散在基质材料中，最终获得BP/G/WPU复合材料。研究结果表明，与单一的WPU 相比，BP/G/WPU 的PHRR 和THR 分别降低了48.18%和38.63%（与仅添加磷烯的效果相比）；BP/G/WPU具有比WPU和G/WPU更高的残炭量，达到12.50%，残炭密集、厚实；此外，BP/G的添加使WPU的杨氏模量比仅添加BP 时增加了7 倍，表明石墨烯的添加有利于提高复合材料的机械性能。他们认为BP/G存在如下的阻燃机制，石墨烯热稳定性好，在高温下不会发生分解，燃烧过程中会留在凝聚相中作为稳定的碳源，从而增加残炭量。而磷烯可同时在气相和凝聚相中发挥限制火势的作用。因此，磷烯和石墨烯可同时在凝聚相和气相中发挥协同阻燃的作用，改善高分子材料的阻燃性能。

虽然BP/G 的添加改善了WPU 的阻燃性能，其阻燃性能比仅添加BP 时有所提升，主要表现为PHRR 和THR的降低，但对LOI这一关键指标的提升却不够明显（添加了BP/G 的复合材料与单一WPU 的LOI 值几乎一致）。因此，昆明理工大学YIN 等［19］使用热稳定性高、机械强度高、导热系数高的六方氮化硼（BN）与磷烯作为阻燃添加剂协同阻燃，通过超声制备了BP/BN/WPU 复合材料。研究结果表明，BP/BN/WPU复合材料的LOI较纯WPU 的21.7%提高到33.8%，PHRR 和THR 较纯WPU 分别显著降低了50.94%和23.92%，残炭量约为单一WPU 的10 倍。水性聚氨酯复合材料优异的耐火性能得益于磷烯和氮化硼在气相和凝聚相中的协同作用。当BP 与BN 协同使用时，大部分的BP进入气相发挥阻燃作用，少量的BP 留在凝聚相中催化高分子成炭，使残炭量大大增加，同时阻止可燃气体逸出及与空气接触。而氮化硼主要留在凝聚相中，不仅具有片层阻隔作用，同时具有催化成炭的作用（检测到B—O—C 键的存在），与BP 协同使用可以起到更好的阻燃效果。

与石墨烯、氮化硼等平面二维结构相比，碳纳米管具有更高的长径比和优异的力学及热电性能，将其作为添加剂加入高分子材料，不仅可以增加材料的阻燃性能，还可使得材料能更好地应用于热电转换领域。碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管（MWCNTs）［20］，与单壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管成本更低，且表面含有大量的反应性官能团（羧基、羟基等），这非常有利于将其功能化以制备具有优异导热性和阻燃性的高效纳米填料［21］。基于以上理论分析，ZOU 等［22］通过超声和球磨技术相结合的方法合成了BP-MCNTs纳米粒子，将2%的BP-MCNTs 掺入EP 基体中制备了EP/BP-MCNTs纳米复合材料，并测试了复合材料的阻燃性能。研究结果显示，EP/BP-MCNTs纳米复合材料的PHRR和THR 较EP 分别下降了55.81%和41.17%。EP/BP-MCNTs 纳米复合材料优异的阻燃性能得益于BP-MCNTs纳米阻隔、成炭和自由基捕集的协同作用。实际上，2 种阻燃剂的阻燃性能仍然是有限的，将3 种甚至3 种以上阻燃元素的阻燃剂一起复合以实现协同阻燃，有望进一步提升高分子材料的阻燃性能。QU等［23］通过机械球磨法将黑磷氨基化（N元素的引入有利于改善阻燃效果），然后与羧基化多壁碳纳米管共价反应得到BP-MWCNTs，再将其掺入CNF中以制备出具有优异导热性能和阻燃性能的CNF-BP-MWCNTs 柔性复合材料薄膜。当在CNF中掺入20%的BP-MWCNTs 时，复合材料的面内热导率和跨面热导率分别为（22.38 ± 0.39）W/（m·K）和（0.36 ± 0.03） W/（m·K）。有效介质理论（EMT）计算表明，复合薄膜界面热阻降低到纯多壁碳纳米管的1/39。阻燃性能评估表明，复合材料的LOI 从18.1%提高到29.9%，PHRR、THR、产烟速率（SPR）、总产烟量（TSP）、每秒生成的CO（COP）和每秒生成的CO2（CO2P）分别降低了37.47%、43.51%、50.00%、35.29%、50.00%和19.70%。

以上同时含P、C、N 3种阻燃元素阻燃剂的制备方法较为复杂，用量较大，且使用了高能耗的球磨法。石墨相氮化碳（g-C3N4）同时含有C、N 2种元素，将其与纳米黑磷复合可一步实现含3种阻燃元素阻燃剂的制备。中国科学技术大学REN等［24］通过超声辅助的简单自组装方法，将BP 和g-C3N4复合制备BP-CN杂化纳米结构，N元素和C元素的同时引入明显改善了EP 的阻燃性能。研究发现，在EP 中引入2.0%的BP-CN，可使得复合材料的PHRR 和THR 显著下降（较EP 分别下降47.72%和49.60%），LOI值从25%增加到31%。

将其他阻燃剂与纳米黑磷复合，改善了纳米黑磷的稳定性与在高分子材料内部的分散性，更重要的是，多组分的复合能发挥自身的优势实现协同阻燃，进一步提升了高分子材料的阻燃性能。

3 总结与展望

自纳米黑磷被首次用于高分子材料阻燃以来，无论在其制备还是阻燃应用领域均取得了较大的突破，现已被用于制备高性能和防火安全的聚合物（纳米）复合材料。然而，单一纳米黑磷不稳定，在高分子材料内部的分散性较差，且对高分子材料阻燃性能的提升比较有限。通过对纳米黑磷进行功能化修饰，如在其边缘桥接官能团或在其表面覆盖一层有机物等其他物质，不仅可以提升纳米黑磷的稳定性，还能使得纳米黑磷在高分子材料内部分散更均匀，同时改善复合材料的机械性能，使其具有更好的柔韧性，最终在不破坏高分子材料性能的基础上较大程度地提升其阻燃性能。此外，与其他阻燃剂如石墨烯、六方氮化硼等复合实现协同阻燃，也可较大程度地改善复合材料的阻燃性能。

虽然纳米黑磷在高分子材料阻燃领域的应用已经取得了上述的一些进展，但仍存在一些有待研究、探讨并解决的问题：（1）通过对纳米黑磷进行结构设计，调控其化学组成及结构形貌，进一步提升其用于高分子材料时的阻燃性能是今后研究的重点；（2）发挥纳米黑磷的双重甚至多重优势，将其用于储能器件，不仅可发挥其高理论比容量的优势，还有望对电池进行阻燃，提升电池的安全性能，这对高容量、高安全性储能器件的研究与开发具有重要意义；（3）黑磷及纳米黑磷的高效制备是一个亟须解决的难题。科学研究的最终目的在于终有一天能够实现产业化应用以造福人类，然而，从学术研究到工业应用，还有很长的路要走。黑磷及纳米黑磷较高的制备成本是目前限制其应用的主要难题。目前，纳米黑磷的剥离制备仍处于实验室阶段，产量及效率较低，短期内不能满足大量应用的需求。此外，为了确保纳米黑磷在高分子材料中良好的分散状态，通常需要采用烦琐的工艺将其与不环保的有机物混合。因此，寻找性能好及更环保的修饰材料，探索简单高效的剥离和功能化工艺，也是近年来将纳米黑磷用于阻燃甚至其他领域所需要解决的问题。