“新材料之王”易主之路：硼烯会是下一个石墨烯？

一直以来，石墨烯（Graphene）都是材料界的宠儿。

尽管在应用层面的发展滞后让石墨烯受到了一定的争议，但作为“初代”二维材料，它是目前发现的最薄、强度最高、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，被誉为最具有颠覆性的“新材料之王”，甚至被称为材料界的“黑金”，在能源储存、超级电容器、高速晶体管、光电子器件等领域都有着非常巨大的应用潜力，享尽了科学界和媒体的赞誉和追捧。

（来源：麻省理工科技评论）

然而，在石墨烯“新材料之王”的宝座还没有坐稳的时候，下一代超级纳米材料或将横空出世了。这就是硼烯（borophene）：比石墨烯更强，更轻，更柔韧，有着更广阔的应用前景。它的出现，可能会彻底改变能源、传感器、催化剂等许多领域的面貌——至少在理论上是这样。

“走出”计算机的神奇二维材料

石墨烯和硼烯都属于二维材料。

所谓的二维材料，指的是只有一层原子组成的平面结构的材料。曾经，人们认为这样的材料是不可能存在的，直到 2004 年，英国曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫课题组，用透明胶带首先分离出了只有一层原子的石墨烯。石墨烯之前，地球上所被发现的所有材料，都是三维的。二人也因此获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。

图丨2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈•海姆（左）和康斯坦丁•诺沃肖洛夫（来源：Wikipedia）

由于维度的降低，二维材料拥有许多惊人的性质。例如，超高的强度，优异的柔性，丰富的功能性等等。石墨烯之后，人类又发现了单层硅烯、锗烯、锡烯、黑磷等一系列的二维材料，它们都有着各自独特的性质，和超乎想象的用途。而硼烯，就是这个神奇材料家族中“最猛”的一员。

硼烯最早并不是诞生在实验室，而是在计算机里。从 20 多年前开始，世界各地的科学家都通过计算机模拟，证明了硼烯的存在，并对其性质进行了预测。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展开联合攻关，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。自此之后，有越来越多的实验室在合成单原子厚度的硼烯方面取得了极大进展。

图丨硼烯（来源：Wikipedia）

那么，相比于石墨烯，硼烯有着什么优势呢？二维材料那么多，为什么就说，硼烯可以把石墨烯从“新材料之王”的宝座上拉下来呢？

硼烯的优异性能

近期，厦门大学郑金成课题组发表了一篇文章，总结了硼烯的各种优势。

相比于石墨烯，硼烯的强度更高，柔韧性更好，密度更轻，也更容易发生化学反应。除了是电和热的良导体，硼烯还可以实现超导。而且，至少在原理上，硼烯的这些特性都是科学家们可以按需调控的。它们赋予了硼烯在以下领域广阔的应用前景，并有可能在以下几个领域实现彻底颠覆：

1、电池电极

由于硼元素比组成石墨的碳元素要轻，硼烯是目前已知最轻的二维材料。而且，硼烯有着很高的表面活性，也更容易发生化学反应：这使得硼烯很适合用来在电池里储存金属离子。因此，对于锂电池、钠电池、镁电池来说，硼烯都是理想的电极材料，同等重量可以储存多得多的电能。甚至于，对于有着极高能量密度的锂硫电池，硼烯也有用武之地。

图丨锂电池（来源：Wikipedia）

2、储氢

未来新能源汽车的发展，有着两大路径——电动汽车，和氢能源汽车。电动汽车的核心技术之一是高能量密度、功率密度和高安全性的电池，氢能源汽车则需要高效的储氢技术。而硼烯，除了可以用于制造电池电极，也可以用来高效储氢。

与金属离子一样，氢离子也很容易粘附在硼烯的单层原子结构上。研究显示，由于硼烯有着巨大的表面积，它可以储存相当于自身重量 15％以上的氢，储氢容量显著优于其他材料。

图丨用于储氢的硼烯。紫色为硼原子，黄色为锂原子，绿色为氢原子。1 个锂原子可以吸附多达 3 个氢分子。（来源：麻省理工科技评论）

3、超级电容

超级电容是可以快速完成充放电，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。研究发现，几层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。

图丨上海世博会时候的超级电容公交车（来源：Wikipedia）

4、催化剂

硼烯还是最轻的析氢反应催化剂。硼烯可以把氢气分解成氢离子、把水分解成氢气和氧气、以及还原二氧化碳。对于光催化制氢等领域来说，催化剂是其中最重要的一环。有了好的催化剂，它们就可以把燃烧的产物变回燃料，实现能源经济的零碳循环。而硼烯，将有可能催生出一个水基能源循环的新时代。

图丨硼烯可能有助于把水分解为氢气和氧气（来源：Wikipedia）

5、传感器

由于可以与许多物质发生反应，硼烯被认为可以用于制造检测乙醇、甲醛和氰化氢的传感器。例如，当乙醇（也就是酒精）被硼烯吸收时，通过硼烯的电流会马上出现大幅增长。硼烯对于一氧化碳、一氧化氮等有害气体的吸收也要远大于石墨烯。

图丨空气质量检测仪。硼烯有可能成为未来的气体检测材料。（来源：麻省理工科技评论）

“新材料之王”们的困境

但是，上述所有的极具吸引力的应用前景，大多都是基于理论计算发现的性质，只有少数有实验数据支持。即便已经有了实验结果，也远没有达到可以大规模应用的程度。

与作为二维材料“前辈”的石墨烯一样，硼烯在应用上也有着很大的阻碍。

其中，最要紧的就是硼烯的大规模制备。事实上，包括石墨烯在内，如今二维材料面临的最大的问题之一，就是要如何廉价、高效地生产均一、无缺陷的二维单原子层。现有的技术，不是太贵，就是太耗时，无法投入大规模制备。这是石墨烯这么多年来面临的问题，也将会是硼烯未来需要面对的难题。

对于硼烯来说，还有另一个致命的问题需要解决：不稳定性。上文我们提到，硼烯有着很高的反应活性。这给硼烯带来了不少应用前景的同时，也让其很容易在空气中就被氧化。这给实际使用带来了不小的挑战。尽管已经有研究发现了一些提高稳定性的方法，但还任重道远。

我们需要意识到，不论是“新王”硼烯，还是“旧王”石墨烯，二维材料并没有所吹捧的那么厉害，好像明天就可以彻底改变那么多行业的未来；但毫无疑问，它们也都拥有着极其独特且重要的性能，有着非常广阔的潜在发展空间，代表着未来新材料的一个重要发展方向。只要理性期待，二维材料就一定会给我们新的惊喜。

-End-

责编：黄珊

参考：

http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1068014.html

https://www.technologyreview.com/s/613267/borophene-the-new-2d-material-taking-chemistry-by-storm/

http://www.sohu.com/a/126137643_354973

https://arxiv.org/abs/1903.11304

http://phys.xmu.edu.cn/physics/user/17

http://www.materialsviewschina.com/2017/03/24412/

https://www.x-mol.com/news/1618

https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

https://en.wikipedia.org/wiki/Borophene

http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-423262.html

http://zqb.cyol.com/html/2018-06/04/nw.D110000zgqnb_20180604_2-12.htm

http://scholar.google.com.sg/scholar_url?url=http://manu60.magtech.com.cn/xxtcl/EN/article/downloadArticleFile.do%3FattachType%3DPDF%26id%3D8828&hl=zh-CN&sa=X&scisig=AAGBfm26SZoX0KDa59RUM4vyqoT70HEW4w&nossl=1&oi=scholarr