Борофен: раскрываем потенциал 2D-бора для батарей и сенсоров нового поколения

Синтезированный впервые в 2015 году, борофен — анатомически тонкий кристаллический двухмерный слой бора — уже захватил внимание ученых по всему миру. Описываемый как «новое чудо-материал» благодаря уникальной анизотропной гибкости и металличности, он способен произвести революцию в батареях, сенсорах и каталитической химии. Статья обобщает синтез, свойства и потенциальные применения борофена.

Синтез и свойства

В отличие от графена, имеющего единственную форму, борофен — полиморф, способный иметь множество решетчатых конфигураций. Теоретически возможно более 1000 форм борофена, каждая с разными характеристиками. Борофен впервые синтезирован международной группой ученых в условиях ультравысокого вакуума с использованием твердого атомного источника бора. Атомарно чистое серебряное подложение обеспечивало четкую инертную поверхность для роста. In situ электронная характеристика подтвердила теоретические предсказания: полученный полиморф был металлическим и образовал планарные структуры с анизотропной корругацией. Его волнистая структура позже атрибутирована очень малой изгибной жесткости (момент для единичного вращения) и реактивности к серебру. Авторы показали, что электронные и механические свойства сильно анизотропны.

С момента открытия проведено множество исследований сверхпроводимости, механических, электронных и оптических свойств разных полиморфов. Борофен получен на подложках из золота, меди, алюминия. Прорыв 2019 года — первый синтез фристендинг (свободно стоящего) борофена масштабируемым процессом.

Борофен прочен, гибок и прозрачен. Хороший проводник тепла и электричества, также сверхпроводит. По вычислительным предсказаниям, переход в сверхпроводящее состояние может происходить при более высоких температурах, чем в графене. Первоисточниковые расчеты указывают на температуру сверхпроводящего перехода до 24,7 К для некоторых полиморфов — значительно выше предсказанных 8,1 К и экспериментально наблюдаемых 7,4 К в графене. Анизотропия механических и электрических свойств делает его настраиваемым — одна из причин восторга ученых. Понимание того, как характеризовать и контролировать атомную структуру, критично для внедрения борофена с нужными свойствами в продукты.

Несмотря на энтузиазм, существуют серьезные барьеры для коммерциализации. Во-первых, борофен обладает высокой химической реактивностью, что затрудняет манипуляции при обычной температуре. Его все еще сложно производить даже в малых количествах. Как многие 2D-материалы, борофен склонен к оксидации. Это обычно считается недостатком, но оксидацию можно использовать для улучшения стабильности структуры и настройки свойств.

Применения борофена

Уже появляется широкий круг применений, использующих уникальные свойства:

Гибкая электроника: 2D-материалы могут позволить создание масштабированных гибридных электронных устройств, использующих их превосходные качества. Исследователи считают, что необычная волнистая структура борофена придаст высокую растяжимость, если перенести его на эластомерное подложение. То есть возможно создание устройств, которые деформируются и возвращаются в исходную форму. Благодаря проводимости борофен может стать идеальным для гибкой электроники. Ключевая проблема: как многие 2D-материалы, боrofен высокочувствителен к внешней среде и на данный момент не демонстрирует долгосрочной стабильности и надежности в электронных устройствах. Разрабатываются новые методы визуализации для отслеживания движения отдельных атомов в 2D-материалах, чтобы понять потенциальные режимы отказа.

Электроды батарей: Литий-ионные батареи повсеместны благодаря высокой плотности энергии и долгому циклу жизни. Натрий-ионные батареи становятся популярны из-за низкой стоимости и высокой безопасности. Уникальная морфология 2D-материалов обеспечивает быструю диффузию ионов, делая их кандидатами для электродов. Борофен — высокоперспективный электродный материал для Li-ионных и Na-ионных батарей благодаря высокой емкости хранения, дающей экстремально высокую плотность мощности и электрохимическую производительность. Недавнее исследование сообщило, что емкость борофена самая высокая среди всех изученных 2D-материалов.

Катализ: 2D-материалы перспективны как катализаторы благодаря большим площадям поверхности и новым электронным состояниям. Борофен можно использовать в эволюции водорода, восстановлении кислорода и электрохимическом восстановлении углекислого газа. Последнее имеет огромный потенциал для борьбы с изменением климата, но прогресс медленный из-за нестабильных и неэффективных катализаторов.

Хранение водорода: Водород имеет наивысшую энергию на массу среди топлив. Исследования систем хранения водорода растут, движимые спросом на накопление энергии и развитием топливных элементов. Борофен демонстрирует впечатляющую емкость хранения водорода, частично из-за малой массы атомов бора. Энергия связи молекулярного водорода с боровым слоем сильнее, чем с графеном.

Газовые сенсоры: Свойства адсорбции газов борофеном делают его пригодным для сенсирования этанола, угарного газа, фосгена, формальдегида. 2D-материалы показывают значительный потенциал для газовых сенсоров благодаря уникальной электронной структуре и большому отношению площади поверхности к объему.

Заключение

Развитие 2D-материалов — один из самых захватывающих рубежей материаловедения. Вычислительно направленный синтез борофена, всего через десяток лет после синтеза графена, можно считать черновиком для разработки новых 2D-материалов. Остаются серьезные технические вызовы, например, масштабирование производства, однако беспрецедентные и уникальные качества борофена, вероятно, откроют новые горизонты в гибкой электронике, батарейных и сенсорных технологиях.