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硼烯将会取代石墨烯成为另一种"神奇纳米材料"?

        由于其优越的电学、力学和热性能,硼烯被科学界高度期待,或将成为继石墨烯之后的另一种"神奇纳米材料"。据报道,这种新的作为二维材料,比石墨烯更坚硬、更灵活、密度更轻、更容易发生化学反应。

        直到2015年,才有人用化学气相沉积法合成并应用于各种产品的生产。2015年12月,来自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和美国西北大学的科学家首次启动了一项联合研究,在超高真空环境下合成这种由硼组成的二维材料。此后,越来越多的实验室在合成单原子厚度的硼方面取得了巨大进展。

        自硼氧化合成以来,化学家一直热衷于描述硼的性质。硼的特殊排列可能产生不同的特性,这是化学家如此兴奋的原因之一。最新的研究表明,单个原子的硼层比石墨烯更强大、更灵活,可以完全改变传感器、电池和催化化学领域。

        化学家认为硼硅烷可能成为新一代更强大的锂离子电池的阳极材料。物理学家们正在测试他们作为传感器检测各种原子和分子的能力。最近,厦门大学的王志强和他的团队成员也回顾了硼硅烯的显著特点及其可能的应用。

硼烯“逆天”的优良性能是什么?

1)理想的锂电池电极材料

        这种材料是一种很好的电和热导体,它具有优异的各向异性电导性质和罕见的"负泊松比"现象,所谓的"各向异性电导"是指由于硼的原子排列结构而在硼烯表面的"褶皱",它决定了硼烯的导电性能的方向性,水平张力引起的"负泊松比"垂直膨胀现象也使硼烯的应用更加多样化。

2)储氢

       另一个令人惊讶的应用可能是储氢。研究表明,这种材料可以储存超过15%自身重量的氢,这远远超过普通材料所能承受的重量。它还可以用作催化剂,将水分解成氢和氧离子。

       氢原子也很容易粘附在硼卟啉的单层结构上。这种吸附性能与原子层的巨大比表面积相结合,使硼卟啉成为一种很有前途的储氢材料。理论研究表明,硼氧化物可以将其重量的15%以上储存在氢中,这明显优于其他材料。

3)超级电容器

        它具有超导性。硼烯也可能成为超导体。结果表明,β12相硼烯中的一些硼原子对费米面表面附近的电子态贡献很小,而贡献原子晶格与蜂窝结构相似,因此可能存在Dirac电子态。这一发现意味着在硼烯中可能有更有趣的量子效应和广阔的应用前景。

        超级电容器是一种快速完成充放电的储能技术,其循环寿命可达几十万倍,功率密度为电池的5-10倍,被认为是公交车、电车等交通工具的理想储能元件,研究发现几层硼烯是很好的超级电容器材料,在高能量密度下,用硼烯制成的超级电容器可以达到很高的循环稳定性。

4)催化剂

        硼烯也是最温和的析氢催化剂。此外,硼硅烯还能将催化分子氢分解成氢离子,水分解成氢和氧离子。"研究小组说:"硼氧化催化在氢沉淀、氧还原、析氧和二氧化碳电还原中得到了很好的应用。催化剂是光催化制氢领域最重要的方面之一。有了良好的催化剂,它们就能将燃烧产物转化为燃料,并在能源经济中实现零碳循环。这将开创一个以水为基础的能源循环的新时代。

        目前,这种材料的制备需要在银衬底上沉积硼化学气相沉积。银原子的规则排列迫使硼原子形成类似的模式,每个原子与多达六个其他原子结合形成一个扁平的六方结构。然而,大部分硼原子只能与其他四个或五个原子结合,从而在结构中产生空位。空位模式使硼硅晶体具有独特的性质。

5)传感器

        有迹象表明,这种材料也很适合某些外部传感器。由于硼烯可以与许多物质发生反应,因此被认为是用来制造检测乙醇、甲醛和氰化氢的传感器。

        突破实验结果

        硼烯会成为下一个"材料之王"吗?从科学家和研究人员过去的努力来看,虽然在近期不太可能取得很大的突破,但它无疑代表了未来新材料的一个重要发展方向。 

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