一直以來，石墨烯（Graphene）都是材料界的寵兒。
盡管在應(yīng)用層面的發(fā)展滯后讓石墨烯受到了一定的爭議，但作為“初代”二維材料，它是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，被譽(yù)為最具有顛覆性的“新材料之王”，甚至被稱為材料界的“黑金”，在能源儲存、超級電容器、高速晶體管、光電子器件等領(lǐng)域都有著非常巨大的應(yīng)用潛力，享盡了科學(xué)界和媒體的贊譽(yù)和追捧。
（來源：麻省理工科技評論）
然而，在石墨烯“新材料之王”的寶座還沒有坐穩(wěn)的時候，下一代超級納米材料或?qū)M空出世了。這就是硼烯（borophene）：比石墨烯更強(qiáng)，更輕，更柔韌，有著更廣闊的應(yīng)用前景。它的出現(xiàn)，可能會徹底改變能源、傳感器、催化劑等許多領(lǐng)域的面貌——至少在理論上是這樣。
“走出”計(jì)算機(jī)的神奇二維材料
石墨烯和硼烯都屬于二維材料。
所謂的二維材料，指的是只有一層原子組成的平面結(jié)構(gòu)的材料。曾經(jīng)，人們認(rèn)為這樣的材料是不可能存在的，直到 2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子工藝研究所的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫課題組，用透明膠帶首先分離出了只有一層原子的石墨烯。石墨烯之前，地球上所被發(fā)現(xiàn)的所有材料，都是三維的。二人也因此獲得了 2010 年的諾貝爾物理學(xué)獎。
圖丨2010年諾貝爾物理學(xué)獎得主安德烈·海姆（左）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（來源：Wikipedia）
由于維度的降低，二維材料擁有許多驚人的性質(zhì)。例如，超高的強(qiáng)度，優(yōu)異的柔性，豐富的功能性等等。石墨烯之后，人類又發(fā)現(xiàn)了單層硅烯、鍺烯、錫烯、黑磷等一系列的二維材料，它們都有著各自獨(dú)特的性質(zhì)，和超乎想象的用途。而硼烯，就是這個神奇材料家族中“最猛”的一員。
硼烯最早并不是誕生在實(shí)驗(yàn)室，而是在計(jì)算機(jī)里。從 20 多年前開始，世界各地的科學(xué)家都通過計(jì)算機(jī)模擬，證明了硼烯的存在，并對其性質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測。2015 年 12 月，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、中國南開大學(xué)、紐約州立大學(xué)石溪分校以及美國西北大學(xué)的科學(xué)家展開聯(lián)合攻關(guān)，首次在超高真空環(huán)境下合成了這種硼元素組成的二維材料。自此之后，有越來越多的實(shí)驗(yàn)室在合成單原子厚度的硼烯方面取得了極大進(jìn)展。
圖丨硼烯（來源：Wikipedia）
那么，相比于石墨烯，硼烯有著什么優(yōu)勢呢？二維材料那么多，為什么就說，硼烯可以把石墨烯從“新材料之王”的寶座上拉下來呢？
硼烯的優(yōu)異性能
近期，廈門大學(xué)鄭金成課題組發(fā)表了一篇文章，總結(jié)了硼烯的各種優(yōu)勢。
相比于石墨烯，硼烯的強(qiáng)度更高，柔韌性更好，密度更輕，也更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。除了是電和熱的良導(dǎo)體，硼烯還可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。而且，至少在原理上，硼烯的這些特性都是科學(xué)家們可以按需調(diào)控的。它們賦予了硼烯在以下領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，并有可能在以下幾個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)徹底顛覆：
1、電池電極
由于硼元素比組成石墨的碳元素要輕，硼烯是目前已知最輕的二維材料。而且，硼烯有著很高的表面活性，也更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：這使得硼烯很適合用來在電池里儲存金屬離子。因此，對于鋰電池、鈉電池、鎂電池來說，硼烯都是理想的電極材料，同等重量可以儲存多得多的電能。甚至于，對于有著極高能量密度的鋰硫電池，硼烯也有用武之地。
圖丨鋰電池（來源：Wikipedia）
2、儲氫
未來新能源汽車的發(fā)展，有著兩大路徑——電動汽車，和氫能源汽車。電動汽車的核心技術(shù)之一是高能量密度、功率密度和高安全性的電池，氫能源汽車則需要高效的儲氫技術(shù)。而硼烯，除了可以用于制造電池電極，也可以用來高效儲氫。
與金屬離子一樣，氫離子也很容易粘附在硼烯的單層原子結(jié)構(gòu)上。研究顯示，由于硼烯有著巨大的表面積，它可以儲存相當(dāng)于自身重量 15％以上的氫，儲氫容量顯著優(yōu)于其他材料。
圖丨用于儲氫的硼烯。紫色為硼原子，黃色為鋰原子，綠色為氫原子。1 個鋰原子可以吸附多達(dá) 3 個氫分子。（來源：麻省理工科技評論）
3、超級電容
超級電容是可以快速完成充放電，且循環(huán)壽命可達(dá)數(shù)十萬次的儲電技術(shù)，功率密度是電池的 5-10 倍，被認(rèn)為是用于公交車、有軌電車等交通工具的理想儲能元件。研究發(fā)現(xiàn)，幾層硼烯是非常好的超級電容材料。在很高的能量密度下，硼烯制成的超級電容可以實(shí)現(xiàn)極高的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖丨上海世博會時候的超級電容公交車（來源：Wikipedia）
4、催化劑
硼烯還是最輕的析氫反應(yīng)催化劑。硼烯可以把氫氣分解成氫離子、把水分解成氫氣和氧氣、以及還原二氧化碳。對于光催化制氫等領(lǐng)域來說，催化劑是其中最重要的一環(huán)。有了好的催化劑，它們就可以把燃燒的產(chǎn)物變回燃料，實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)的零碳循環(huán)。而硼烯，將有可能催生出一個水基能源循環(huán)的新時代。
圖丨硼烯可能有助于把水分解為氫氣和氧氣（來源：Wikipedia）
5、傳感器
由于可以與許多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，硼烯被認(rèn)為可以用于制造檢測乙醇、甲醛和氰化氫的傳感器。例如，當(dāng)乙醇（也就是酒精）被硼烯吸收時，通過硼烯的電流會馬上出現(xiàn)大幅增長。硼烯對于一氧化碳、一氧化氮等有害氣體的吸收也要遠(yuǎn)大于石墨烯。
圖丨空氣質(zhì)量檢測儀。硼烯有可能成為未來的氣體檢測材料。（來源：麻省理工科技評論）
“新材料之王”們的困境
但是，上述所有的極具吸引力的應(yīng)用前景，大多都是基于理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)的性質(zhì)，只有少數(shù)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。即便已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也遠(yuǎn)沒有達(dá)到可以大規(guī)模應(yīng)用的程度。
與作為二維材料“前輩”的石墨烯一樣，硼烯在應(yīng)用上也有著很大的阻礙。
其中，最要緊的就是硼烯的大規(guī)模制備。事實(shí)上，包括石墨烯在內(nèi)，如今二維材料面臨的最大的問題之一，就是要如何廉價、高效地生產(chǎn)均一、無缺陷的二維單原子層?，F(xiàn)有的技術(shù)，不是太貴，就是太耗時，無法投入大規(guī)模制備。這是石墨烯這么多年來面臨的問題，也將會是硼烯未來需要面對的難題。
對于硼烯來說，還有另一個致命的問題需要解決：不穩(wěn)定性。上文我們提到，硼烯有著很高的反應(yīng)活性。這給硼烯帶來了不少應(yīng)用前景的同時，也讓其很容易在空氣中就被氧化。這給實(shí)際使用帶來了不小的挑戰(zhàn)。盡管已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)了一些提高穩(wěn)定性的方法，但還任重道遠(yuǎn)。
我們需要意識到，不論是“新王”硼烯，還是“舊王”石墨烯，二維材料并沒有所吹捧的那么厲害，好像明天就可以徹底改變那么多行業(yè)的未來；但毫無疑問，它們也都擁有著極其獨(dú)特且重要的性能，有著非常廣闊的潛在發(fā)展空間，代表著未來新材料的一個重要發(fā)展方向。只要理性期待，二維材料就一定會給我們新的驚喜。
-End-
責(zé)編：黃珊
參考：
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://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
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