Borophene – ein neues Kapitel in der Entwicklung von 2D-Materialien

Borophen, ein anatomisch dünnes, kristallines 2D-Borblatt, das 2015 erstmals synthetisiert wurde, hat bereits die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern weltweit auf sich gezogen. Beschrieben als "das neue Wundermaterial" Aufgrund seiner einzigartigen anisotropen Flexibilität und Metallizität hat es das Potenzial, Batterien, Sensoren und die katalytische Chemie zu revolutionieren. Dieser Artikel fasst die Synthese, Eigenschaften und möglichen Anwendungen von Borophen zusammen.

Synthese und Eigenschaften

Während Graphen nimmt eine einzige Form an, Borophen ist ein Polymorph, das viele Gitterkonfigurationen haben kann. Theoretisch kann es mehr als 1000 Formen von Borophen geben, jede mit unterschiedlichen Eigenschaften. Borophen wurde erstmals von einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern unter Ultrahochvakuumbedingungen unter Verwendung einer festen atomaren Borquelle synthetisiert. Ein atomar gereinigtes Silbersubstrat wurde verwendet, um eine gut definierte und inerte Oberfläche für das Wachstum von Borophen bereitzustellen. Vor Ort die elektronische Charakterisierung stützte theoretische Vorhersagen, dass das Polymorph von Borophen, das sie erfolgreich hergestellt hatten, metallisch war und planare Strukturen mit anisotroper Wellung bildete. Seine wellenförmige Struktur wurde später der sehr geringen Biegesteifigkeit von Borophen (d. h. dem Moment, das erforderlich ist, um eine Einheitsrotation zu erzeugen) und seiner Reaktivität gegenüber Silber zugeschrieben. Die Autoren zeigten, dass sowohl die elektronischen als auch die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Borophens stark anisotrop waren.

Seit ihrer ersten Entdeckung wurden zahlreiche Studien zur Supraleitung durchgeführt, mechanisch, elektronisch und optische Eigenschaften verschiedener Polymorphe von Borophen. Borophen wurde inzwischen unter Verwendung einer Reihe verschiedener Substrate hergestellt, darunter Gold, Kupfer und Aluminium. Ein bedeutender Durchbruch gelang 2019, als freistehendes Borophen zum ersten Mal mit einem skalierbaren Verfahren synthetisiert wurde.

Borophen ist stark, flexibel und transparent . Es ist ein guter Wärme- und Stromleiter und auch Supraleiter. Einigen Berechnungsvorhersagen zufolge kann Borophen bei höheren Temperaturen als Graphen in die Supraleitung übergehen. First-Principle-Berechnungen haben gezeigt, dass die supraleitende Übergangstemperatur für einige Polymorphe von Borophen bis zu 24,7 K betragen kann, was viel höher ist als die rechnerisch vorhergesagten 8,1 K und die experimentell beobachteten 7,4 K in 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. Das Verständnis, wie die Atomstruktur von Borophen charakterisiert und kontrolliert werden kann, wird für die Einarbeitung von Borophen mit den gewünschten Eigenschaften in Produkte entscheidend sein.

Während viele Forscher von den einzigartigen Eigenschaften von Borophen begeistert sind, gibt es erhebliche Hindernisse für die Kommerzialisierung dieses Materials. Erstens hat Borophen eine relativ hohe chemische Reaktivität und kann daher bei Umgebungstemperaturen schwierig 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 empfunden, jedoch kann die Oxidation genutzt werden, um die Stabilität der Struktur zu verbessern und ihre Eigenschaften maßzuschneidern.

Anwendungen von Borophen

Eine breite Palette von Anwendungen, die sich die einzigartigen Eigenschaften von Borophen zunutze machen, zeichnet sich bereits ab, zum Beispiel:

Flexible Elektronik: 2D-Materialien können die Entwicklung verkleinerter hybrider elektronischer Geräte ermöglichen, die darauf ausgelegt sind, ihre überlegenen Eigenschaften zu nutzen. Die Forscher glauben, dass die ungewöhnliche wellenförmige Struktur von Borophen eine hohe Dehnbarkeit verleihen würde, wenn das Borophen auf ein elastomeres Substrat übertragen würde. Mit anderen Worten, es könnte möglich sein, Geräte unter Verwendung von Borophen herzustellen, die verformt werden können und dann in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Da Borophen leitfähig ist, kann es sich als sehr geeignet für flexible elektronische Geräte erweisen. Eine der größten Herausforderungen für Forscher besteht darin, dass Borophen wie viele 2D-Materialien sehr empfindlich auf die äußere Umgebung reagiert und bisher keine Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit bei der Verwendung in elektronischen Geräten gezeigt hat. Forscher entwickeln derzeit neue Bildgebungsverfahren, um die Bewegung einzelner Atome in 2D-Materialien zu erfassen, um die potenziellen Ausfallarten in elektronischen Geräten zu verstehen.

Batterieelektroden: Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und langen Lebensdauer in elektronischen Geräten allgegenwärtig geworden. In den letzten Jahren haben sich auch Natrium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer geringen Betriebskosten und hohen Betriebssicherheit immer mehr durchgesetzt. Die einzigartige Morphologie von 2D-Materialien ermöglicht eine schnelle Ionendiffusion und macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Verwendung als Elektroden. Borophen ist aufgrund seiner hohen Speicherkapazität, die zu einer extrem hohen Leistungsdichte und elektrochemischen Leistung führt, ein vielversprechendes Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien. Eine aktuelle Studie berichtet, dass die Speicherkapazität von Borophen die höchste aller bisher untersuchten 2D-Materialien ist.

Katalyse: 2D-Materialien sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, einschließlich großer Oberflächen und neuartiger elektronischer Zustände, vielversprechend für die Verwendung als Katalysatoren. Borophen kann als Katalysator bei der Wasserstoffentwicklung, Sauerstoffreduktion und der elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid verwendet werden. Insbesondere die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid hat ein enormes Potenzial, einen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels zu leisten. Aufgrund des Mangels an stabilen und effizienten Katalysatoren war der Fortschritt jedoch langsam.

Wasserstoffspeicherung: Wasserstoff hat die höchste Energie pro Masse aller Brennstoffe. In den letzten Jahren hat sich die Erforschung von Wasserstoffspeichersystemen zunehmend durchgesetzt, angetrieben von der Nachfrage nach Energiespeicherung und der Weiterentwicklung von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien. Es hat sich gezeigt, dass Borophen eine beeindruckende Wasserstoffspeicherkapazität hat, teilweise aufgrund der geringen Masse der Boratome. Die Bindungsenergie von molekularem Wasserstoff an die Borschicht ist stärker als die an Graphen.

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

Schlussfolgerungen

Die Die Entwicklung von 2D-Materialien ist heute eine der aufregendsten Grenzen in der Materialforschung. Die computergesteuerte Synthese von Borophen, etwas mehr als ein Jahrzehnt nach der Synthese von Graphen, kann als Blaupause für die Entwicklung neuer 2D-Materialien angesehen werden. Erhebliche technische Herausforderungen bleiben bei der Entwicklung von Borophen, zum Beispiel die Skalierung von Herstellungsprozessen, aber seine beispiellosen und einzigartigen Eigenschaften werden wahrscheinlich neue Horizonte in der flexiblen Elektronik, Batterie- und Sensortechnologie eröffnen.