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，科學家們就開發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世紀初被發現的元素，在自然界中不存在穩定的單質硼晶體，直到上世紀初，才制備出99%純度的單質硼。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。這是造成硼與碳的晶體結構及物理化學性質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。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合研究，首次在超高真空環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展。

硼烯具備各向異性電導和金屬性，同時也表現出獨特的機械、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，意外發現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？經研究發現，原子晶格類似于蜂窩狀結構，所以有可能存在Dirac電子態。這一發現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。二硼化鎂是2001年發現的一種超導材料，其超導轉變溫度為39 K，是迄今為止發現的臨界溫度最高的簡單穩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 等研究人員發現，在金屬襯底上制備出的幾種穩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，并且循環壽命可達數十萬次的儲電技術，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極高的循環穩定性。

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，使硼烯成為一種優質的儲氫材料，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了很強的催化能力，它將引領一個水基能源循環的新時代。

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發生反應，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，不過已經有科學家正在研究提高硼烯穩定性的各種方法。大規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是未來需要解決的問題，目前的二維材料生產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，相信在科技不斷發展的過程中，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）