硼烯能否超越石墨烯

李雨蒙

過去幾年間，石墨烯（Graphene）是備受科學界推崇的新材料之王，甚至有材料界的“黑金”之稱。作為第一代二維材料，石墨烯是目前強度最高、最薄、導電導熱性能最強的納米材料。而延伸出來的各種新奇應用更是令人大開眼界。

可是，這個頗具前景的石墨烯世界還未完全實現(xiàn)，科學家們就開發(fā)出了下一代超級納米材料——硼烯（Borophene），這是一種比石墨烯更強、更柔韌、更輕并且應用范圍更廣的新材料，至少從理論上來說，硼烯的出現(xiàn)將會改變能源、傳感器、催化劑等多個領域。

硼烯是什么

硼（Boron，B）是19世紀初被發(fā)現(xiàn)的元素，在自然界中不存在穩(wěn)定的單質(zhì)硼晶體，直到上世紀初，才制備出99%純度的單質(zhì)硼。硼原子屬于缺電結構，通常形成多中心鍵，這種特殊的電子結構使其趨向于形成復雜多面體結構的物質(zhì)。這是造成硼與碳的晶體結構及物理化學性質(zhì)有很大差異的根本原因。

硼烯最早不是誕生在實驗室里，而是出現(xiàn)在計算機模擬中，顯示硼原子如何形成單層。自20多年前開始，全球的科學家通過計算機模擬證明硼烯的存在，并且預測它的性質(zhì)。2015年12月，美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、紐約州立大學石溪分校以及美國西北大學的科學家聯(lián)合研究，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。從此，越來越多的實驗室在合成原子級的硼烯方面取得了極大的發(fā)展。

硼烯具備各向異性電導和金屬性，同時也表現(xiàn)出獨特的機械、光學特性，被稱為最輕的二維金屬，硼烯的多中心特性使其容易形成空位結構，將為電子應用、材料合成和復雜結構等開啟更多的應用可能。

量子效應

2017年，日本東京大學Matsuda 研究組，用高分辨電子能量損失譜（ARPES）測量，意外發(fā)現(xiàn)β12相硼烯中存在有Dirac費米子。通常情況下，Dirac費米子存在于具有蜂窩狀原子結構的二維材料中，而β12相硼烯本身是三角晶格且充滿了一維空位結構，可為什么還會有Dirac費米子存在呢？經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，原子晶格類似于蜂窩狀結構，所以有可能存在Dirac電子態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)意味著硼烯中很可能存在著量子效應。

超級電容

硼烯可以成為超導體。這一點主要來自于超導材料二硼化鎂的啟發(fā)。二硼化鎂是2001年發(fā)現(xiàn)的一種超導材料，其超導轉變溫度為39 K，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的臨界溫度最高的簡單穩(wěn)定的金屬化合物材料。二硼化鎂的超導電性來源于電聲子耦合，其中金屬性的硼原子層被認為起到了關鍵性的作用。硼元素的原子質(zhì)量較小，所以具有較強的電聲耦合強度，而鎂原子主要起到了提供載流子的作用。

美國萊斯大學的Boris Yakobson 等研究人員發(fā)現(xiàn)，在金屬襯底上制備出的幾種穩(wěn)定的單層硼烯結構有可能具有以聲子為媒介的超導特性，其超導轉變溫度預計在10-20 K之間。超級電容可以快速完成充放電，并且循環(huán)壽命可達數(shù)十萬次的儲電技術，功率密度是電池的5-10 倍，被認為是用于公交車、有軌電車等交通工具的理想儲能元件。因此，研究人員認為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現(xiàn)極高的循環(huán)穩(wěn)定性。

電極材料

硼烯具有出色的電導性和罕見的“負泊松比”現(xiàn)象。所謂“各向異性電導”是指由于硼烯的原子排列結構使得其表面呈現(xiàn)出“褶皺”，而這樣的結構決定了硼烯導電屬性具有方向性。而水平拉伸導致垂直方向膨脹的“負泊松比”現(xiàn)象也令硼烯的應用更加多樣化。而另一個讓科學家們激動不已的特性是，硼烯具有很高的表面活性，更容易發(fā)生化學反應，這使硼烯非常適合在電池中儲存金屬離子，加上優(yōu)異的電子傳導性和出色的離子傳輸性能，對于鋰電池、鈉電池、鎂電池來說，硼烯將是理想的電極材料，同等的重量可以儲存更多的電能。

儲氫

另一項應用是儲氫。經(jīng)研究表明，硼烯可以儲存超過自身重量15%的氫，這遠超普通材料可以儲存的容量。氫原子也很容易粘附在硼烯的單層結構上，這種吸附性能與原子層的巨大表面積相結合，使硼烯成為一種優(yōu)質(zhì)的儲氫材料，比如應用在氫能源汽車等方面。

催化劑

硼烯還是最輕的析氫反應催化劑。硼稀能夠催化氫分子分解成為氫離子，將水分解為氫和氧離子。研究團隊表示，在析氫反應、氧還原反應以及析氧反應的實驗中硼稀都表現(xiàn)了很強的催化能力，它將引領一個水基能源循環(huán)的新時代。

傳感器

有跡象表明，這種材料也可以應用于一些外來傳感器。因為它可以與許多物質(zhì)發(fā)生反應，比如當酒精（乙醇）被硼烯吸收時，通過硼烯的電流會馬上出現(xiàn)大幅度的增長，而硼稀對于一氧化碳、一氧化氮等氣體的吸收程度也遠超過石墨烯，因此硼稀也可以用于制造檢測乙醇、甲醛和氰化氫的傳感器。

新材料的困境

不穩(wěn)定性——硼烯本身有著很高的反應活性，這一方面有利于各種應用，但另一方面卻很容易在空氣中被氧化，在實際應用中將帶來不小的麻煩，不過已經(jīng)有科學家正在研究提高硼烯穩(wěn)定性的各種方法。大規(guī)模制備也是二維材料需要面臨的一大困境，怎樣高效廉價的生產(chǎn)是未來需要解決的問題，目前的二維材料生產(chǎn)還處于高價且耗時的階段。盡管硼烯的應用前景受到科學界的一致認可，但是無論是石墨烯還是硼烯，在處理、儲存和使用等方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)，相信在科技不斷發(fā)展的過程中，未來的新材料將帶給我們更多的驚喜。

編譯自《MIT 科學評論》《Lithium News》

（責任編輯 姜懿翀）