中国粉体网讯 随着2004年石墨烯的问世，其作为单原子层二维材料第一次出现在人们的面前，很长一段时间以来，石墨烯风靡整个科学界，被誉为最具有颠覆性的“新材料之王”，甚至被成为材料界的“黑金”。
尽管石墨烯目前仍受到科学界与媒体的追捧，但不可否认的是，近年来，它在应用层面出现了一定的滞后。
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与此同时，科学家将同样的理念用在了“硼”上，制备出了新一代超级纳米材料，它就是硼烯。硼烯被认为有着更广阔的应用前景，会彻底改变能源、传感器、催化剂等许多领域的面貌。今天我们就来了解一下硼烯的神秘之处。
它紧随石墨烯而来
自石墨烯的诞生掀起了一场新型二维量子材料研究的热潮。近年来，人们一直在努力探索碳元素之外的其他元素组成的单质二维材料，于是人们首先想到的最有可能拥有二维同素异形体的元素就是与碳同主族的硅、锗等元素，因为这些元素与碳元素一样，最外层都有4个电子。
2012年，人们在实验上成功制备了单层硅烯，之后，锗烯和锡烯也陆续在实验室中得以实现。但令人惊讶的是，所有单质二维材料的结构都呈现不同程度的离面屈曲，与石墨烯的纯平面结构有显著差距。这些二维材料易被氧化，在空气中不能稳定存在，因此较难被应用于器件。
这不得不令人思考：什么元素具有可比拟于碳的强成键能力？除碳之外是否还有其它可形成纯平面二维材料的元素?
接下来研究者们便把目光瞄准了硼和氮这两个碳元素的两个最近邻元素，在其单质或化合物中寻找类石墨烯的二维材料。硼在元素周期表中是碳的左“邻居”，位于非金属的碳和金属的铍之间。因此，硼呈现非金属性的同时又兼具一定的金属性，既可以形成常规的强共价键，又可形成一系列多中心化学键。由于成键能力和丰富程度胜于碳，硼具有上百种晶体结构，大部分含有12个硼原子组成的20面体的结构单元。同时，硼可与绝大部分元素形成稳定的化合物，且是设计超硬材料和金属防腐层的重要选择。
碳化学与硼化学的类似性
更让意想不到的是，进入纳米尺度，硼具有更奇特的行为：在小尺度下倾向以类似于苯环等有机分子的平面结构存在，尺度稍大后具有富勒烯般的笼状结构；在特殊条件下甚至还形成纳米管和薄膜结构。这些纳米结构使得硼与碳在化学上具有惊人的类似性，这些发现直接促进了硼烯在理论设计及制备方面的发展。
诞生于计算机，而非实验室
硼烯的一大奇特之处便是最早诞生于计算机，而非实验室内。原来，自然界内并没有发现硼烯的存在，而科学家在二十年前却通过计算机模拟发现了硼烯存在的可能性，并对其性质进行预测。
2014年，南开大学物理学院周向锋教授、王慧田教授和纽约州立大学石溪分校奥甘诺夫教授等基于进化算法结合第一性原理计算，预测了一个独特的二维硼结构。
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硼元素组成的二维材料。
自此，超级纳米材料硼烯诞生，石墨烯有了“兄弟”。
至坚、至柔、至韧
作为二维材料，硼烯有着许多奇特的性质。其中，最突出的是超高的强度和优异的柔性。
南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室张助华教授与美国莱斯大学材料科学与纳米工程系讲习教授Boris I. Yakobson合作，利用系统的第一性原理计算发现硼烯具有破纪录的结构柔性、优异的面内弹性和良好的断裂韧性。他们发现硼烯的抗弯刚度只有石墨烯的25%，是二硫化钼的5%，单它的面内比模量可达到石墨烯的76%。硼烯因此具有所有二维材料中最高的福波-冯卡门参数，成为最易弯却抗拉的材料。此外，硼烯的拉伸强度约为石墨烯的45%。
但最特别的是，硼烯在达到临界强度之后结构并不像一般材料直接破坏，而是发生结构相变并重新恢复抗拉能力，使得它具有罕见的断裂韧性。这是因为硼烯的多中心键特性导致材料在变形过程中化学键容易发生转动，以致原子可以重组形成新的稳定晶格。硼烯的上述力学性质还可以通过控制其中的六边形孔洞密度加以调制，而没有孔洞的硼烯甚至比石墨烯还硬。
可以说，硼烯在力学上是集坚、柔、韧于一体的纳米材料，克服了其它二维材料坚有余而韧不足的缺点。这些特性使得硼烯在复合材料设计、柔性电子器件、光控器件等方面具有应用前景。
此外，硼烯也是最轻的二维金属，具备各向异性电导和金属性，展现出独特的机械、光学特性。而且，硼烯的这些特性都可由科学家们根据需要进行调控。硼烯的化学性质相对稳定，有助于克服硅烯、磷烯等二维材料易被氧化不稳定的缺点，这使得硼烯在纳米器件方面拥有过人的应用潜质。
硼烯是如何生长出来的
1、化学气相沉积
在理论研究的同时，大量早期实验跟进并尝试了多种方法制备硼纳米结构，包括激光烧蚀、磁控溅射、乙硼烷热解等非催化方法和金属合金作为催化剂的CVD方法。合成主要产物有硼纳米线，纳米带和晶须等，但均为无定形或体块硼结构。2015年，南京航空航天大学台国安课题组首次基于CVD方法在铜基底上合成了二维硼薄膜。他们将硼和硼氧化物粉末的混合物加热，在1400 K下形成二氧二硼化物蒸气，然后在1300 K下沉积在Cu箔上生长出二维硼薄膜 。然而，该实验并没有得到单原子层的硼烯。
尽管如此，CVD法仍是一种值得大力研究的方法，前提是保证开发合适的生长条件，如高纯的硼源、恰当的生长温度、和超平整的基底对硼烯的生长至关重要。
2、分子束外延
近年来，在理论指导和实验的不懈努力下，有两个独立实验分别在银基底上成功合成了硼烯单层。中国科学院物理所吴克辉课题组 和美国西北大学与阿贡国家实验室联合课题组分别在超高真空条件下，在干净的Ag(111)表面上通过沉积电子蒸发的高纯度硼源成功制备出硼烯。吴克辉课题组还利用分子束外延技术在Al(111)表面上成功制备了这种蜂窝状结构的硼烯。
3、高真空原子溅射
上面我们提到的美国阿贡国家实验室、南开大学、纽约州立大学石溪分校和西北大学等研究单位共同合作制备出硼烯，便是利用高真空原子溅射的方法，首次在银的表面成功“生长”出褶皱的单原子层硼烯。
广阔的应用前景
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。
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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。
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。
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。
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。
目前面临的问题
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。
总结
21 世纪注定是超级纳米材料的发烧时代。化学新材料的降生，给工业制造带来难以意料的惊喜。硼烯等有着独特性质的二维材料的问世，对人类社会未来的影响极为神秘，也留下了大片有待填补的市场空白。二维材料的生产应用还处于高价、耗时、不稳定的阶段，大规模制备仍是硼烯面临的一大困境。高效、廉价的生产是未来需要解决的问题，硼烯大规模应用指日可待。
参考来源：
[1]王琴，薛珉敏，张助华.硼烯化学合成进展与展望
[2]程鹏，陈岚，吴克辉.一种新型二维材料：硼烯
[3]周文俊.硼烯：未来氢能源电池材料霸主
[4]“新材料之王”易主之路：硼烯会是下一个石墨烯？. DeepTech深科技
（中国粉体网编辑整理/山川）
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