神奇的纳米材料之硼烯

2004年石墨烯问世，真实的单原子层二维材料第一次出现在人们的面前。石墨烯独特的二维六角蜂窝状晶体结构和载流子的狄拉克费米子行为带来了种种奇妙的物理特性，给凝聚态物理的基础研究领域甚至器件应用领域都带来了巨大的冲击。

所有的二维材料中，单元素二维材料由于结构简单、易于表征和调控，可以视为模型化的二维晶体系统，利于系统化的基础研究探索。除碳元素以外，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。2012年，人们成功制备出了单层硅烯，随后锗烯和锡烯也陆续在实验室中得以实现。

硼烯的首次出现

硼和氮作为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，同样是一条便捷且可靠的途径。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。该研究进一步激发了实验学家挑战合成硼烯的兴趣。2015年12月，美国阿贡国家实验室、中国南开大学、美国纽约州立大学石溪分校和美国西北大学等研究单位合作，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。联合团队获得的实验结果与理论模型几乎完全符合。南开大学团队承担了该研究的理论计算工作。

各种稳定的单层硼烯薄膜的模型：(a)δ-type的硼膜；(b)χ-type的硼膜；(c)α-type的硼膜；(d)β-type的硼膜。其中白色方框表示一个原胞大小，红色原子和黄色原子分别表示由于翘曲产生的朝上和朝下翘曲的原子

硼烯的制备

不同于存在于石墨中层状结构的石墨烯，自然界中硼不以层状材料存在。研究人员采用化学气相沉积方法已经制得了硼团簇和纳米管。但这些技术需要昂贵的设备，还需要使用昂贵的有机前躯体，比如乙硼烷。为了制得硼的单层片，研究人员在超高真空腔室内加热单晶银衬底，以此来生长硼烯。他们采用电子束蒸发技术从450℃至700℃的固体硼棒上蒸发出硼原子。硼原子自发的沉积在银上面，形成2D片。

硼烯的性能

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。

硼烯的应用

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。

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。

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。

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。

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。

硼烯具有非常丰富的晶体结构和电子性质。硼烯的化学性质相对稳定，有可能在大气环境下存在，这有助于克服二维材料易被氧化而不稳定的缺点，在纳米器件方面具有潜在的应用价值。硼烯较短的键长也会使其具备较好的机械性能。对于硼烯的研究还刚刚开始，随着对其研究的逐渐深入，硼烯所具有的新奇的原子结构和奇特的物理性质将进一步被人们所了解，为将来基于硼烯的应用提供更多可能性。