硼烯——二维材料开发的新篇章

硼烯于 2015 年首次合成，它是一种解剖学上薄的结晶二维硼片，已经引起了全球科学家的关注。被描述为“新奇材料” 由于其独特的各向异性柔韧性和金属性，它有可能彻底改变电池、传感器和催化化学。 本文对硼烯的合成、性质及潜在应用进行了综述。

合成与性质

同时石墨烯采用单一形式，硼烯是一种多晶型物，可以有多种晶格构型。理论上，可能有超过 1000 种形式的硼烯，每一种都有不同的特性。硼烯最初是由一个国际科学家小组在超高真空条件下使用固体硼原子源合成的。原子清洁的银基板用于为硼烯生长提供定义明确的惰性表面。 现场 电子表征支持理论预测，即他们成功制造的硼烯多晶型物是金属的，并形成了具有各向异性波纹的平面结构。它的起伏结构后来归因于硼烯非常小的弯曲刚度（即产生单位旋转所需的力矩）及其对银的反应性。作者证明了所生产的硼烯的电子和机械性能都具有高度的各向异性。

自首次发现以来，已对超导、机械、电子和不同多晶型硼烯的光学性质。现在已经使用多种不同的基材制造硼烯，包括金、铜和铝。 2019 年取得了重大突破，首次使用可扩展工艺合成了独立式硼烯。

硼烯坚固、灵活且透明 .它是热和电的良导体，而且还具有超导性。根据一些计算预测，硼烯可能在比石墨烯更高的温度下转变为超导性。第一性原理计算表明，硼烯的某些多晶型物的超导转变温度可能高达 24.7K，远高于计算预测的 8.1K 和实验观察到的石墨烯中的 7.4K。其机械和电气特性的各向异性使其可调节，这也是科学家和工程师对其潜在应用感到兴奋的原因之一。了解如何表征和控制硼烯的原子结构对于将具有所需性能的硼烯掺入产品中至关重要。

虽然许多研究人员对硼烯的独特性能感到兴奋，但这种材料的商业化存在重大障碍。 首先，硼烯具有相对高的化学反应性，因此在环境温度下难以操作。即使是少量生产也相对困难。像许多二维材料一样，硼烯很容易氧化。这通常被认为是不利的，然而，氧化可用于提高结构的稳定性并调整其性能。

硼烯的应用

利用硼烯独特性能的广泛应用已经出现，例如：

柔性电子产品： 2D 材料可能有助于开发按比例缩小的混合电子设备，旨在利用其卓越品质。研究人员认为，如果将硼烯转移到弹性基材上，硼烯不寻常的起伏结构将赋予其高拉伸性。换句话说，有可能使用可以变形然后恢复其原始形状的硼烯制造器件。由于硼烯是导电的，它可能被证明非常适用于柔性电子设备。研究人员面临的主要挑战之一是，与许多 2D 材料一样，硼烯对外部环境高度敏感，迄今为止，它在用于电子设备时还没有表现出长期稳定性和可靠性。 研究人员目前正在开发新的成像技术来捕捉二维材料中单个原子的运动，以了解电子设备中潜在的故障模式。

电池电极： 锂离子电池因其高功率密度和长循环寿命而在电子设备中无处不在。近年来，钠离子电池也因其低运行成本和高运行安全性而变得越来越普遍。二维材料的独特形态可实现快速离子扩散，并使其成为电极的合适候选者。硼烯是一种非常有前景的锂离子和钠离子电池电极材料，因为它具有高存储容量，可实现极高的功率密度和电化学性能。最近的一项研究表明，硼烯的存储容量是迄今为止研究的所有二维材料中最高的。

催化： 二维材料由于其独特的性质（包括大表面积和新颖的电子态）而显示出用作催化剂的巨大潜力。硼烯可用作析氢、氧还原和二氧化碳电化学还原的催化剂。特别是二氧化碳的电化学还原在促进应对气候变化方面具有巨大的潜力。但由于缺乏稳定高效的催化剂，进展缓慢。

储氢： 在任何燃料中，氢的单位质量能量最高。近年来，由于对储能的需求以及氢和燃料电池技术的进步，对储氢系统的研究变得越来越普遍。硼烯已被证明具有令人印象深刻的储氢能力，部分原因是硼原子的质量低。分子氢对硼片的结合能比对石墨烯的结合能强。

气体传感器： 硼烯的气体吸附特性使其适用于不同气体的气体传感应用，包括乙醇、一氧化碳、光气和甲醛。二维材料由于其独特的电子结构和较大的表面积体积比，在气体传感器的发展中显示出巨大的潜力。

结论

二维材料的开发是当今材料研究中最激动人心的前沿之一。在石墨烯合成十多年后，计算引导的硼烯合成可以被视为开发新二维材料的蓝图。 硼烯的开发仍面临重大技术挑战，例如扩大制造工艺，但其前所未有的独特品质可能会为柔性电子、电池和传感器技术带来新的视野。