Borofeen – Een nieuw hoofdstuk in de ontwikkeling van 2D-materialen

Borofeen, een anatomisch dunne, kristallijne 2D-boriumplaat, voor het eerst gesynthetiseerd in 2015, heeft al de aandacht getrokken van wetenschappers over de hele wereld. Beschreven als 'het nieuwe wondermateriaal' vanwege zijn unieke anisotrope flexibiliteit en metaalachtigheid, heeft het de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in batterijen, sensoren en katalytische chemie. Dit artikel vat de synthese, eigenschappen en mogelijke toepassingen van borofeen samen.

Synthese en eigenschappen

Terwijl grafeen heeft een enkele vorm, borofeen is een polymorf, die veel roosterconfiguraties kan hebben. Theoretisch kunnen er meer dan 1000 vormen van borofeen zijn, elk met verschillende kenmerken. Borofeen werd voor het eerst gesynthetiseerd door een internationale groep wetenschappers onder ultrahoog vacuüm met behulp van een vaste atoombron van boor. Een atomair gereinigd zilversubstraat werd gebruikt om een ​​goed gedefinieerd en inert oppervlak voor borofeengroei te verschaffen. Ter plaatse elektronische karakterisering ondersteunde theoretische voorspellingen dat de polymorf van borofeen die ze met succes hadden gefabriceerd, van metaal was en vlakke structuren vormde met anisotrope golving. De gegolfde structuur werd later toegeschreven aan de zeer kleine buigstijfheid van borofeen (d.w.z. het moment dat nodig is om eenheidsrotatie te produceren) en zijn reactiviteit ten opzichte van zilver. De auteurs toonden aan dat zowel de elektronische als mechanische eigenschappen van het geproduceerde borofeen zeer anisotroop waren.

Sinds de eerste ontdekking zijn er talloze onderzoeken uitgevoerd naar de supergeleiding, mechanische, elektronische en optische eigenschappen van verschillende polymorfen van borofeen. Borofeen is nu vervaardigd met behulp van een aantal verschillende substraten, waaronder goud, koper en aluminium. Een belangrijke doorbraak kwam in 2019 toen vrijstaand borofeen voor het eerst werd gesynthetiseerd met behulp van een schaalbaar proces.

Borofeen is sterk, flexibel en transparant . Het is een goede geleider van zowel warmte als elektriciteit, en het is ook supergeleidend. Volgens sommige computationele voorspellingen kan borofeen bij hogere temperaturen overgaan in supergeleiding dan grafeen. Eerste-principeberekeningen hebben uitgewezen dat de supergeleidende overgangstemperatuur wel 24,7K kan zijn voor sommige polymorfen van borofeen, wat veel hoger is dan de rekenkundig voorspelde 8,1K en experimenteel waargenomen 7,4K in grafeen. De anisotropie in zijn mechanische en elektrische eigenschappen maakt het afstembaar, wat een van de redenen is waarom wetenschappers en ingenieurs enthousiast zijn over de mogelijke toepassingen ervan. Inzicht in het karakteriseren en beheersen van de atomaire structuur van borofeen zal cruciaal zijn voor de opname van borofeen met de gewenste eigenschappen in producten.

Hoewel veel onderzoekers enthousiast zijn over de unieke eigenschappen van borofeen, zijn er aanzienlijke belemmeringen voor de commercialisering van dit materiaal. Ten eerste heeft borofeen een relatief hoge chemische reactiviteit en kan daarom moeilijk te manipuleren zijn bij omgevingstemperaturen. Zelfs in kleine hoeveelheden blijft het relatief moeilijk te vervaardigen. Zoals veel 2D-materialen is borofeen gevoelig voor oxidatie. Dit wordt over het algemeen als nadelig beschouwd, maar de oxidatie kan worden gebruikt om de stabiliteit van de structuur te verbeteren en de eigenschappen ervan aan te passen.

Toepassingen van borofeen

Een breed scala aan toepassingen die gebruikmaken van de unieke eigenschappen van borofeen zijn al in opkomst, bijvoorbeeld:

Flexibele elektronica: 2D-materialen kunnen de ontwikkeling mogelijk maken van verkleinde hybride elektronische apparaten die zijn ontworpen om hun superieure kwaliteiten te benutten. Onderzoekers geloven dat de ongebruikelijke golvende structuur van borofeen een hoge rekbaarheid zou geven als het borofeen zou worden overgebracht naar een elastomeer substraat. Met andere woorden, het kan mogelijk zijn om apparaten te fabriceren met borofeen die kunnen worden vervormd en vervolgens kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Omdat borofeen geleidend is, kan het zeer geschikt zijn voor flexibele elektronische apparaten. Een van de belangrijkste uitdagingen voor onderzoekers is dat, net als veel 2D-materialen, borofeen zeer gevoelig is voor de externe omgeving, en tot op heden heeft het geen langdurige stabiliteit en betrouwbaarheid getoond bij gebruik in elektronische apparaten. Onderzoekers ontwikkelen momenteel nieuwe beeldvormingstechnieken om de beweging van individuele atomen in 2D-materialen vast te leggen om de mogelijke faalwijzen in elektronische apparaten te begrijpen.

Batterij-elektroden: Lithium-ionbatterijen zijn alomtegenwoordig in elektronische apparaten vanwege hun hoge vermogensdichtheid en lange levensduur. In de afgelopen jaren zijn natrium-ionbatterijen ook steeds gebruikelijker geworden vanwege hun lage bedrijfskosten en hoge bedrijfsveiligheid. De unieke morfologie van 2D-materialen maakt snelle ionendiffusie mogelijk en maakt ze geschikte kandidaten voor gebruik als elektroden. Borofeen is een veelbelovend elektrodemateriaal voor lithium-ion- en natriumionbatterijen vanwege de hoge opslagcapaciteit, wat resulteert in een extreem hoge vermogensdichtheid en elektrochemische prestaties. Een recente studie meldde dat de opslagcapaciteit van borofeen de hoogste is van alle tot nu toe onderzochte 2D-materialen.

Katalyse: 2D-materialen zijn veelbelovend voor gebruik als katalysator vanwege hun unieke eigenschappen, waaronder grote oppervlakten en nieuwe elektronische toestanden. Borofeen kan worden gebruikt als katalysator bij waterstofontwikkeling, zuurstofreductie en de elektrochemische reductie van kooldioxide. Vooral de elektrochemische reductie van kooldioxide heeft een enorm potentieel om bij te dragen aan de inspanningen om de klimaatverandering aan te pakken. De vooruitgang is echter traag als gevolg van het ontbreken van stabiele en efficiënte katalysatoren.

Waterstofopslag: Waterstof heeft de hoogste energie per massa van alle brandstoffen. In de afgelopen jaren is onderzoek naar waterstofopslagsystemen steeds gangbaarder geworden, gedreven door de vraag naar energieopslag en de vooruitgang van waterstof- en brandstofceltechnologieën. Van borofeen is aangetoond dat het een indrukwekkende waterstofopslagcapaciteit heeft, deels vanwege de lage massa van de booratomen. De bindingsenergie van moleculaire waterstof aan de boorplaat is sterker dan die aan grafeen.

Gassensoren: De gasadsorptie-eigenschappen van borofeen maken het geschikt voor gasdetectietoepassingen voor verschillende gassen, waaronder ethanol, koolmonoxide, fosgeen en formaldehyde. 2D-materialen hebben een aanzienlijk potentieel voor de ontwikkeling van gassensoren aangetoond dankzij hun unieke elektronische structuren en grote oppervlakte-tot-volumeverhoudingen.

Conclusies

De ontwikkeling van 2D-materialen is tegenwoordig een van de meest opwindende grenzen in materiaalonderzoek. De computationeel geleide synthese van borofeen, iets meer dan een decennium na de synthese van grafeen, kan worden beschouwd als een blauwdruk voor de ontwikkeling van nieuwe 2D-materialen. Er blijven aanzienlijke technische uitdagingen bij de ontwikkeling van borofeen, bijvoorbeeld het opschalen van productieprocessen, maar de ongekende en unieke eigenschappen ervan zullen waarschijnlijk nieuwe horizonten onthullen in flexibele elektronica, batterij- en sensortechnologie.