211service.com
Tyvärr, grafen – borofen är det nya undermaterialet som gör alla upphetsade
Jury | wikimedia commons
För inte så länge sedan var grafen det stora nya undermaterialet. Ett superstarkt, atomtjockt ark av kolkycklingtråd, det kan bilda rör, bollar och andra konstiga former. Och eftersom det leder elektricitet, lyfte materialforskare utsikterna för en ny era av grafenbaserad datorbearbetning och en lukrativ grafenchipindustri att starta upp. Europeiska unionen investerade 1 miljard euro för att få igång en grafenindustri.
Denna modiga nya grafenbaserade värld har ännu inte förverkligats. Men det har väckt ett intresse för andra tvådimensionella material. Och det mest spännande av allt är borofen: ett enda lager av boratomer som bildar olika kristallina strukturer.
Anledningen till spänningen är det extraordinära utbudet av applikationer som borofen ser bra ut för. Elektrokemister tror att borofen kan bli anodmaterialet i en ny generation av kraftfullare litiumjonbatterier. Kemister är hänförda av dess katalytiska kapacitet. Och fysiker testar dess förmåga som sensor för att upptäcka många typer av atomer och molekyler.
Idag granskar Zhi-Qiang Wang vid Xiamen University i Kina och ett antal kollegor de anmärkningsvärda egenskaperna hos borofen och de tillämpningar de kan leda till.
Borophene har en kort historia. Fysiker förutspådde först dess existens på 1990-talet med hjälp av datorsimuleringar för att visa hur boratomer kunde bilda ett monolager.
Men detta exotiska ämne syntetiserades inte förrän 2015, med hjälp av kemisk ångavsättning. Detta är en process där en het gas av boratomer kondenserar på en sval yta av rent silver.
Det regelbundna arrangemanget av silveratomer tvingar boratomer till ett liknande mönster, var och en binder till så många som sex andra atomer för att skapa en platt hexagonal struktur. En betydande andel boratomer binder dock endast med fyra eller fem andra atomer, och detta skapar vakanser i strukturen. Mönstret av vakanser är det som ger borofenkristaller deras unika egenskaper.
Sedan borofenens syntes har kemister ivrigt karakteriserat dess egenskaper. Borofen visar sig vara starkare än grafen och mer flexibelt. Den är en bra ledare av både el och värme, och den är även supraledare. Dessa egenskaper varierar beroende på materialets orientering och placeringen av lediga platser. Detta gör den avstämbar, åtminstone i princip. Det är en anledning till att kemister är så exalterade.
Borofen är också lätt och ganska reaktivt. Det gör den till en bra kandidat för att lagra metalljoner i batterier. Borofen är ett lovande anodmaterial för Li-, Na- och Mg-jonbatterier på grund av hög teoretisk specifik kapacitet, utmärkt elektronisk ledningsförmåga och enastående jontransportegenskaper, säger Wang och co.
Väteatomer fäster också lätt vid borofens enskiktsstruktur, och denna adsorptionsegenskap, i kombination med den enorma ytan av atomskikten, gör borofen till ett lovande material för vätelagring. Teoretiska studier tyder på att borofen kan lagra över 15 % av sin vikt i väte, vilket avsevärt överträffar andra material.
Sedan finns det borofens förmåga att katalysera nedbrytningen av molekylärt väte till vätejoner och vatten till väte- och syrejoner. Enastående katalytiska prestanda för borofen har hittats i väteutvecklingsreaktion, syrereduktionsreaktion, syreevolutionsreaktion och CO2-elektroreduktionsreaktion, säger teamet. Det skulle kunna inleda en ny era av vattenbaserade energicykler.
Ändå har kemister en del arbete att göra innan borofen kan användas mer allmänt. Till att börja med har de ännu inte hittat ett sätt att göra borofen i stora mängder. Och materialets reaktivitet betyder att det är känsligt för oxidation, så det måste skyddas noggrant. Båda faktorerna gör borofen dyrt att tillverka och svårt att hantera. Så det är arbete framför oss.
Men kemister har stor tro. Borofen kan bara bli nästa underverk som kommer in i världen.
Ref: arxiv.org/abs/1903.11304 : Granskning av borofen och dess potentiella tillämpningar