Borfeen: Het Potentieel van 2D Boor Ontgrendelen voor Next-Gen Batterijen en Sensoren

Voor het eerst gesynthetiseerd in 2015, heeft borfeen, een anatomisch dunne, kristallijne 2D boorlaag, al de aandacht van wetenschappers wereldwijd getrokken. Beschreven als 'het nieuwe wondermateriaal' vanwege zijn unieke anisotrope flexibiliteit en metalliciteit, heeft het het potentieel om batterijen, sensoren en katalytische chemie te revolutioneren. Dit artikel vat de synthese, eigenschappen en potentiële toepassingen van borfeen samen.

Synthese en Eigenschappen

Terwijl grafeen een enkele vorm aannemt, is borfeen een polymorf, wat veel roosterconfiguraties kan hebben. Theoretisch kunnen er meer dan 1000 vormen van borfeen zijn, elk met verschillende kenmerken. Borfeen werd voor het eerst gesynthetiseerd door een internationale groep wetenschappers onder ultrahoogvacuümomstandigheden met een vaste booratoomschuif. Een atomair gereinigd zilver substraat werd gebruikt om een goed gedefinieerd en inerte oppervlak voor borfeengroei te bieden. In situ elektronische karakterisatie ondersteunde theoretische voorspellingen dat het polymorf van borfeen dat ze met succes geproduceerd hadden, metallisch was en plannaire structuren vormde met anisotrope corrugatie. De ongolvende structuur werd later toegeschreven aan de zeer kleine buigstijfheid van borfeen (d.w.z. het moment dat nodig is om eenheid rotatie te produceren) en zijn reactiviteit ten opzichte van zilver. De auteurs toonden aan dat zowel de elektronische als mechanische eigenschappen van het geproduceerde borfeen hoogst anisotroop waren.

Sinds de oorspronkelijke ontdekking zijn talloze studies uitgevoerd naar de supergeleidendheid, mechanische, elektronische en optische eigenschappen van verschillende polymorfen van borfeen. Borfeen is nu geproduceerd met een aantal verschillende substraten, waaronder goud, koper en aluminium. Een significante doorbraak kwam in 2019 toen vrijstaand borfeen voor het eerst werd gesynthetiseerd met een schaalbaar proces.

Borfeen is sterk, flexibel en transparant. Het is een goede geleider van zowel warmte als elektriciteit, en het supergeleidt ook. Volgens sommige computationele voorspellingen, kan borfeen overgaan naar supergeleidendheid bij hogere temperaturen dan grafeen. Eerste-principes berekeningen hebben aangegeven dat de supergeleidende overgangstemperatuur zo hoog kan zijn als 24.7K voor sommige polymorfen van borfeen, wat veel hoger is dan de computationeel voorspelde 8.1K en experimenteel waargenomen 7.4K in grafeen. De anisotropie in de mechanische en elektrische eigenschappen maakt het instelbaar, wat een van de redenen is waarom wetenschappers en ingenieurs enthousiast zijn over zijn potentiële toepassingen. Begrijpen hoe de atoomaire structuur van borfeen te karakteriseren en controleren, zal cruciaal zijn voor de incorporatie van borfeen met de gewenste eigenschappen in producten.

Terwijl veel onderzoekers opgewonden zijn over de unieke eigenschappen van borfeen, zijn er significante barrières voor de commercialisatie van dit materiaal. Ten eerste heeft borfeen een relatief hoge chemische reactiviteit en kan daarom moeilijk te manipuleren zijn bij kamertemperatuur. Het blijft relatief moeilijk om te produceren, zelfs in kleine hoeveelheden. Als veel 2D materialen is borfeen gevoelig voor oxidatie. Dit wordt doorgaans als nadeel beschouwd, echter, de oxidatie kan gebruikt worden om de stabiliteit van de structuur te verbeteren en de eigenschappen af te stellen.

Toepassingen van Borfeen

Een breed scala aan toepassingen die de unieke eigenschappen van borfeen benutten, duiken al op, bijvoorbeeld:

Flexibele elektronica: 2D materialen kunnen de ontwikkeling mogelijk maken van geschaalde hybride elektronische apparaten ontworpen om hun superieure kwaliteiten te benutten. Onderzoekers geloven dat de ongewone ongolvende structuur van borfeen hoge rekbaarheid zou confereren als de borfeen overgebracht werd naar een elastomerrig substraat. Met andere woorden, het kan mogelijk zijn om apparaten te fabriceren met borfeen die vervormd kunnen worden en daarna terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Aangezien borfeen geleidend is, kan het zeer geschikt blijken voor flexibele elektronische apparaten. Een van de sleuteluitdagingen voor onderzoekers is dat, zoals veel 2D materialen, borfeen hoogst gevoelig is voor de externe omgeving, en tot nu toe heeft het geen lange-termijn stabiliteit en betrouwbaarheid getoond wanneer gebruikt in elektronische apparaten. Onderzoekers ontwikkelen momenteel nieuwe imagingtechnieken om de beweging van individuele atomen in 2D materialen vast te leggen om de potentiële faalmodi in elektronische apparaten te begrijpen.

Batterij-elektroden: Lithium-ionbatterijen zijn alomtegenwoordig in elektronische apparaten geworden vanwege hun hoge energiedichtheid en lange cyclustijd. In recentere jaren zijn natrium-ionbatterijen ook steeds meer algemeen geworden vanwege hun lage operationele kosten en hoge operationele veiligheid. De unieke morfologie van 2D materialen stelt snelle iondiffusie mogelijk en maakt ze geschikte kandidaten voor gebruik als elektroden. Borfeen is een zeer veelbelovend elektrodemateriaal voor lithium-ion en natrium-ionbatterijen vanwege zijn hoge opslagcapaciteit resulterend in extreem hoge energiedichtheid en electrochemische prestaties. Een recent onderzoek rapporteerde dat de opslagcapaciteit van borfeen de hoogste is van alle 2D materialen tot nu toe onderzocht.

Katalyse: 2D materialen tonen grote belofte voor gebruik als katalysatoren vanwege hun unieke eigenschappen, waaronder grote oppervlakken en nieuwe elektronische toestanden. Borfeen kan als katalysator gebruikt worden in waterstofevolutie, zuurstofreductie en de electrochemische reductie van koolstofdioxide. De electrochemische reductie van koolstofdioxide, in het bijzonder, heeft enorm potentieel om bij te dragen aan inspanningen om klimaatverandering aan te pakken. Echter, de vooruitgang is langzaam geweest als gevolg van het gebrek aan stabiele en efficiënte katalysatoren.

Waterstofopslag: Waterstof heeft de hoogste energie per massa van elke brandstof. In recentere jaren is onderzoek naar waterstofopslagsystemen steeds meer prevalent geworden, gedreven door vraag naar energiedopslag en de vooruitgang van waterstof- en brandstofcellen technologieën. Borfeen heeft een indrukwekkende waterstofopslagcapaciteit getoond, deels door de lage massa van de booratomen. De bindingsenergie van moleculaire waterstof aan het boorvel is sterker dan die aan grafeen.

Gas sensoren: De gasadsorptie-eigenschappen van borfeen maken het geschikt in gassensing toepassingen voor verschillende gassen, waaronder ethanol, koolstofmonoxide, fosgeen en formaldehyde. 2D materialen hebben significant potentieel getoond voor de ontwikkeling van gassensoren vanwege hun unieke elektronische structuren en grote oppervlakte-tot-volume verhoudingen.

Conclusies

De ontwikkeling van 2D materialen is een van de meest opwindende grenzen in materialenonderzoek vandaag. De computationeel gestuurde synthese van borfeen, net meer dan een decennium na de synthese van grafeen, kan beschouwd worden als een blauwdruk voor de ontwikkeling van nieuwe 2D materialen. Significante technische uitdagingen blijven in de ontwikkeling van borfeen, bijvoorbeeld het opschalen van productieprocessen, echter zijn de ongekende en unieke kwaliteiten waarschijnlijk om nieuwe horizonen te onthullen in flexibele elektronica, batterij- en sensortechnologie.