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硼烯能否超越石墨烯

时间:2019-05-05     作者:编译/李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2019年第五期

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去几年间,石墨烯(Graphene)是备受科学界推崇的新材料之王,甚至有材料界的“黑金”之称。作为第一代二维材料,石墨烯是目前强度最高、最薄、导电导热性能最强的纳米材料。而延伸出来的各种新奇应用更是令人大开眼界。

可是,这个颇具前景的石墨烯世界还未完全实现,科学家们就开发出了下一代超级纳米材料——硼烯(Borophene),这是一种比石墨烯更强、更柔韧、更轻并且应用范围更广的新材料,至少从理论上来说,硼烯的出现将会改变能源、传感器、催化剂等多个领域。

 

硼烯是什么

硼(Boron,B)是19世纪初被发现的元素,在自然界中不存在稳定的单质硼晶体,直到上世纪初,才制备出99%纯度的单质硼。硼原子属于缺电结构,通常形成多中心键,这种特殊的电子结构使其趋向于形成复杂多面体结构的物质。这是造成硼与碳的晶体结构及物理化学性质有很大差异的根本原因。

硼烯最早不是诞生在实验室里,而是出现在计算机模拟中,显示硼原子如何形成单层。自20多年前开始,全球的科学家通过计算机模拟证明硼烯的存在,并且预测它的性质。2015年12月,美国阿贡国家实验室、中国南开大学、纽约州立大学石溪分校以及美国西北大学的科学家联合研究,首次在超高真空环境下合成了这种硼元素组成的二维材料。从此,越来越多的实验室在合成原子级的硼烯方面取得了极大的发展。

硼烯具备各向异性电导和金属性,同时也表现出独特的机械、光学特性,被称为最轻的二维金属,硼烯的多中心特性使其容易形成空位结构,将为电子应用、材料合成和复杂结构等开启更多的应用可能。

 

量子效应

2017年,日本东京大学Matsuda 研究组,用高分辨电子能量损失谱(ARPES)测量,意外发现β12相硼烯中存在有Dirac费米子。通常情况下,Dirac费米子存在于具有蜂窝状原子结构的二维材料中,而β12相硼烯本身是三角晶格且充满了一维空位结构,可为什么还会有Dirac费米子存在呢?经研究发现,原子晶格类似于蜂窝状结构,所以有可能存在Dirac电子态。这一发现意味着硼烯中很可能存在着量子效应。


超级电容

硼烯可以成为超导体。这一点主要来自于超导材料二硼化镁的启发。二硼化镁是2001年发现的一种超导材料,其超导转变温度为39 K,是迄今为止发现的临界温度最高的简单稳定的金属化合物材料。二硼化镁的超导电性来源于电声子耦合,其中金属性的硼原子层被认为起到了关键性的作用。硼元素的原子质量较小,所以具有较强的电声耦合强度,而镁原子主要起到了提供载流子的作用。

美国莱斯大学的Boris Yakobson 等研究人员发现,在金属衬底上制备出的几种稳定的单层硼烯结构有可能具有以声子为媒介的超导特性,其超导转变温度预计在10-20 K之间。超级电容可以快速完成充放电,并且循环寿命可达数十万次的储电技术,功率密度是电池的5-10 倍,被认为是用于公交车、有轨电车等交通工具的理想储能元件。因此,研究人员认为硼烯是非常好的超级电容材料。在很高的能量密度下,硼烯制成的超级电容可以实现极高的循环稳定性。

 

电极材料

硼烯具有出色的电导性和罕见的“负泊松比”现象。所谓“各向异性电导”是指由于硼烯的原子排列结构使得其表面呈现出“褶皱”,而这样的结构决定了硼烯导电属性具有方向性。而水平拉伸导致垂直方向膨胀的“负泊松比”现象也令硼烯的应用更加多样化。而另一个让科学家们激动不已的特性是,硼烯具有很高的表面活性,更容易发生化学反应,这使硼烯非常适合在电池中储存金属离子,加上优异的电子传导性和出色的离子传输性能,对于锂电池、钠电池、镁电池来说,硼烯将是理想的电极材料,同等的重量可以储存更多的电能。

 

储氢

另一项应用是储氢。经研究表明,硼烯可以储存超过自身重量15%的氢,这远超普通材料可以储存的容量。氢原子也很容易粘附在硼烯的单层结构上,这种吸附性能与原子层的巨大表面积相结合,使硼烯成为一种优质的储氢材料,比如应用在氢能源汽车等方面。

 

催化剂

硼烯还是最轻的析氢反应催化剂。硼稀能够催化氢分子分解成为氢离子,将水分解为氢和氧离子。研究团队表示,在析氢反应、氧还原反应以及析氧反应的实验中硼稀都表现了很强的催化能力,它将引领一个水基能源循环的新时代。

 

传感器

有迹象表明,这种材料也可以应用于一些外来传感器。因为它可以与许多物质发生反应,比如当酒精(乙醇)被硼烯吸收时,通过硼烯的电流会马上出现大幅度的增长,而硼稀对于一氧化碳、一氧化氮等气体的吸收程度也远超过石墨烯,因此硼稀也可以用于制造检测乙醇、甲醛和氰化氢的传感器。

 

新材料的困境

不稳定性——硼烯本身有着很高的反应活性,这一方面有利于各种应用,但另一方面却很容易在空气中被氧化,在实际应用中将带来不小的麻烦,不过已经有科学家正在研究提高硼烯稳定性的各种方法。大规模制备也是二维材料需要面临的一大困境,怎样高效廉价的生产是未来需要解决的问题,目前的二维材料生产还处于高价且耗时的阶段。尽管硼烯的应用前景受到科学界的一致认可,但是无论是石墨烯还是硼烯,在处理、储存和使用等方面仍然面临许多挑战,相信在科技不断发展的过程中,未来的新材料将带给我们更多的惊喜。

编译自《MIT 科学评论》《Lithium News》

 (责任编辑 姜懿翀)


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