一直以來，石墨烯（Graphene）都是材料界的寵兒。

盡管在應用層面的發(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、強度最高、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被譽為最具有顛覆性的“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、光電子器件等領域都有著非常巨大的應用潛力，享盡了科學界和媒體的贊譽和追捧。

（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，更輕，更柔韌，有著更廣闊的應用前景。它的出現(xiàn)，可能會徹底改變能源、傳感器、催化劑等許多領域的面貌——至少在理論上是這樣。

“走出”計算機的神奇二維材料

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 年的諾貝爾物理學獎。

圖丨2010年諾貝爾物理學獎得主安德烈·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驗室，而是在計算機里。從 20 多年前開始，世界各地的科學家都通過計算機模擬，證明了硼烯的存在，并對其性質(zhì)進行了預測。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，有越來越多的實驗室在合成單原子厚度的硼烯方面取得了極大進展。

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，硼烯的強度更高，柔韌性更好，密度更輕，也更容易發(fā)生化學反應。除了是電和熱的良導體，硼烯還可以實現(xiàn)超導。而且，至少在原理上，硼烯的這些特性都是科學家們可以按需調(diào)控的。它們賦予了硼烯在以下領域廣闊的應用前景，并有可能在以下幾個領域?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)生化學反應：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 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)壽命可達數(shù)十萬次的儲電技術(shù)，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。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，實現(xiàn)能源經(jīng)濟的零碳循環(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，硼烯被認為可以用于制造檢測乙醇、甲醛和氰化氫的傳感器。例如，當乙醇（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用前景，大多都是基于理論計算發(fā)現(xiàn)的性質(zhì)，只有少數(shù)有實驗數(shù)據(jù)支持。即便已經(jīng)有了實驗結(jié)果，也遠沒有達到可以大規(guī)模應用的程度。

與作為二維材料“前輩”的石墨烯一樣，硼烯在應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活性。這給硼烯帶來了不少應用前景的同時，也讓其很容易在空氣中就被氧化。這給實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。

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。

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責編：黃珊

參考：

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

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

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

https:///abs/1903.11304

http://phys./physics/user/17

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

https://www./news/1618

https://en./wiki/Graphene

https://en./wiki/Borophene

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

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