Borophen: Das Potenzial von 2D-Bor für Batterien und Sensoren der nächsten Generation

Erstmals 2015 synthetisiert, hat Borophen – ein atomar dünnes, kristallines 2D-Borblatt – bereits die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern weltweit auf sich gezogen. Als „neues Wundermaterial“ beschrieben aufgrund seiner einzigartigen anisotropen Flexibilität und Metallizität, hat es das Potenzial, Batterien, Sensoren und katalytische Chemie zu revolutionieren. Dieser Artikel fasst die Synthese, Eigenschaften und potenziellen Anwendungen von Borophen zusammen.

Synthese und Eigenschaften

Während Graphen eine einzige Form annimmt, ist Borophen ein Polymorph, das viele Gitterkonfigurationen haben kann. Theoretisch könnte es mehr als 1000 Formen von Borophen geben, jede mit unterschiedlichen Eigenschaften. Borophen wurde erstmals von einer internationalen Forschergruppe unter Ultrahochvakuumbedingungen mit einer festen atomaren Borquelle synthetisiert. Ein atomar gereinigtes Silbersubstrat wurde verwendet, um eine wohldefinierte und inerte Oberfläche für das Borophenwachstum bereitzustellen. In situ elektronische Charakterisierung stützte theoretische Vorhersagen, dass der von ihnen erfolgreich hergestellte Borophen-Polymorph metallisch war und planare Strukturen mit anisotroper Wellung bildete. Seine wellige Struktur wurde später der sehr geringen Biegesteifigkeit von Borophen (d. h. dem Moment, der zur Erzeugung einer Einheitsdrehung erforderlich ist) und seiner Reaktivität gegenüber Silber zugeschrieben. Die Autoren zeigten, dass sowohl die elektronischen als auch die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Borophens hochgradig anisotrop waren.

Seit seiner Entdeckung wurden zahlreiche Studien zur Supraleitfähigkeit, mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften verschiedener Borophen-Polymorphe durchgeführt. Borophen wurde nun mit verschiedenen Substraten einschließlich Gold, Kupfer und Aluminium hergestellt. Ein bedeutender Durchbruch gelang 2019, als freistehendes Borophen erstmals mit einem skalierbaren Prozess synthetisiert wurde.

Borophen ist stark, flexibel und transparent. Es ist ein guter Leiter sowohl für Wärme als auch für Elektrizität und supraleitet sogar. Laut einigen computergestützten Vorhersagen könnte Borophen bei höheren Temperaturen in die Supraleitfähigkeit übergehen als Graphen. Erste-Prinzip-Berechnungen haben gezeigt, dass die supraleitende Übergangstemperatur für einige Borophen-Polymorphe bis zu 24,7 K betragen könnte – weit höher als die computergestützt vorhergesagten 8,1 K und experimentell beobachteten 7,4 K bei Graphen. Die Anisotropie in seinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften macht es abstimmbar, was einer der Gründe ist, warum Wissenschaftler und Ingenieure von seinen potenziellen Anwendungen begeistert sind. Zu verstehen, wie man die atomare Struktur von Borophen charakterisiert und kontrolliert, wird entscheidend für die Integration von Borophen mit den gewünschten Eigenschaften in Produkte sein.

Während viele Forscher von den einzigartigen Eigenschaften von Borophen begeistert sind, gibt es erhebliche Hürden für die Kommerzialisierung dieses Materials. Erstens hat Borophen eine relativ hohe chemische Reaktivität und kann daher bei Umgebungstemperaturen schwer zu handhaben sein. Es bleibt selbst in kleinen Mengen relativ schwierig herzustellen. Wie viele 2D-Materialien ist Borophen anfällig für Oxidation. Dies wird allgemein als nachteilig betrachtet, jedoch kann die Oxidation genutzt werden, um die Stabilität der Struktur zu verbessern und ihre Eigenschaften anzupassen.

Anwendungen von Borophen

Eine breite Palette von Anwendungen, die die einzigartigen Eigenschaften von Borophen nutzen, zeichnet sich bereits ab, beispielsweise:

Flexible Elektronik: 2D-Materialien könnten die Entwicklung verkleinerter hybrider elektronischer Geräte ermöglichen, die ihre überlegenen Eigenschaften nutzen. Forscher glauben, dass Borophens ungewöhnliche wellige Struktur hohe Dehnbarkeit verleihen würde, wenn das Borophen auf ein elastomeres Substrat übertragen würde. Mit anderen Worten, es könnte möglich sein, Geräte mit Borophen herzustellen, die sich verformen und dann in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können. Da Borophen leitfähig ist, könnte es sich als hochgeeignet für flexible elektronische Geräte erweisen. Eine der zentralen Herausforderungen für Forscher ist, dass Borophen wie viele 2D-Materialien höchst empfindlich auf die äußere Umgebung reagiert und bisher keine langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit in elektronischen Geräten gezeigt hat. Forscher entwickeln derzeit neue Bildgebungstechniken, um die Bewegung einzelner Atome in 2D-Materialien einzufangen, um potenzielle Ausfallmodi in elektronischen Geräten zu verstehen.

Batterieelektroden: Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Zyklenlebensdauer in elektronischen Geräten allgegenwärtig geworden. In jüngster Zeit sind auch Natrium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer niedrigen Betriebskosten und hohen Betriebssicherheit zunehmend verbreitet. Die einzigartige Morphologie von 2D-Materialien ermöglicht schnelle Ionen-Diffusion und macht sie zu geeigneten Kandidaten für den Einsatz als Elektroden. Borophen ist ein hochvielversprechendes Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien aufgrund seiner hohen Speicherkapazität, was in extrem hoher Leistungsdichte und elektrochemischer Leistung resultiert. Eine kürzlich veröffentlichte Studie berichtete, dass die Speicherkapazität von Borophen die höchste aller bisher untersuchten 2D-Materialien ist.

Katalyse: 2D-Materialien zeigen großes Versprechen für den Einsatz als Katalysatoren aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, einschließlich großer Oberflächen und neuartiger elektronischer Zustände. Borophen kann als Katalysator bei der Wasserstoffentwicklung, Sauerstoffreduktion und der elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid eingesetzt werden. Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid hat insbesondere enormes Potenzial, um Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels beizutragen. Der Fortschritt war jedoch langsam aufgrund des Mangels an stabilen und effizienten Katalysatoren.

Wasserstoffspeicherung: Wasserstoff hat die höchste Energie pro Masse aller Brennstoffe. In jüngster Zeit ist die Forschung zu Wasserstoffspeichersystemen zunehmend verbreitet, getrieben durch die Nachfrage nach Energiespeicherung und die Weiterentwicklung von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien. Borophen hat sich als beeindruckende Wasserstoffspeicherkapazität erwiesen, teilweise aufgrund der geringen Masse der Boratome. Die Bindungsenergie von molekularem Wasserstoff an das Borblatt ist stärker als die an Graphen.

Gassensoren: Die Gasadsorptionseigenschaften von Borophen machen es für Gassensoranwendungen für verschiedene Gase geeignet, darunter Ethanol, Kohlenmonoxid, Phosgen und Formaldehyd. 2D-Materialien haben signifikantes Potenzial für die Entwicklung von Gassensoren aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Strukturen und großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse.

Fazit

Die Entwicklung von 2D-Materialien ist eine der aufregendsten Grenzen in der Materialforschung heute. Die computergestützte Synthese von Borophen, etwas mehr als ein Jahrzehnt nach der Synthese von Graphen, kann als Blaupause für die Entwicklung neuer 2D-Materialien betrachtet werden. Signifikante technische Herausforderungen bleiben bei der Entwicklung von Borophen, beispielsweise die Skalierung der Herstellungsprozesse, jedoch werden seine beispiellosen und einzigartigen Eigenschaften wahrscheinlich neue Horizonte in flexibler Elektronik, Batterie- und Sensortechnologie eröffnen.