综述：硼烯及其复合材料在优化氢生产中的应用：对材料设计、性质、配位化学和催化性能的全面综述

《Coordination Chemistry Reviews》：The rise of borophenes and their composites for optimized hydrogen production: A holistic review of material designs, properties, coordination chemistry, and catalytic performances

可持续氢能生产中硼烯及其复合材料的电催化与光催化机制研究。

　　在当今全球能源转型的大背景下，氢气作为一种清洁、高效、可持续的能源载体，正成为解决气候变化和能源危机的重要方向。随着对低碳能源系统的追求不断加强，寻找清洁且高效的氢气生产技术变得尤为迫切。其中，电催化和光催化水分解技术被视为替代传统化石燃料制氢方法的可持续方案，但其商业应用仍受到高效、稳定、经济的催化剂稀缺的限制。近年来，一种名为硼烯（borophene）的二维硼基材料因其独特的物理化学特性，如高电子导电性、机械强度、结构各向异性以及可调控的相结构，引起了广泛关注。这些特性使硼烯及其复合材料在能源领域具有广阔的应用前景，尤其是在氢气生产方面。

硼烯作为一种新型的二维材料，其研究起步相对较晚，但在过去十年中取得了显著进展。它的出现源于对硼基材料在纳米尺度上潜在特性的理论预测，最终在2015年通过在银基底上的外延生长实现了实验合成。硼烯的合成方法不断拓展，包括多种从上至下和从下至上的策略，其中一些方法已经取得了突破性的进展，如在2020年通过原位热处理合成了超高稳定性和结晶性的氢化硼烯片层。这些合成技术的进步为硼烯的进一步研究和应用奠定了基础，也推动了其在氢气生产领域的潜力评估。

硼烯的物理化学特性使其在催化领域表现出独特的性能。首先，其高电子导电性和丰富的表面活性位点使其在氢气析出反应（HER）中具有显著优势。HER是电催化水分解过程中关键的一步，涉及氢离子在催化剂表面的吸附和反应。硼烯的表面反应性、高电荷载流子迁移率以及可调的吸附能，使其在促进催化效率方面具有巨大潜力。此外，硼烯还展现出优异的光学、吸附、超导、磁性和热学性能，这些特性使其在多种催化体系中具有广泛的应用前景。例如，与MXene、石墨烯以及金属氧化物、硫化物、硒化物和纳米颗粒相结合的硼烯复合材料，能够实现更高效的催化性能，同时具备良好的稳定性和可扩展性。

除了HER，硼烯在光催化水分解中的表现同样值得关注。光催化水分解依赖于催化剂对光的响应能力，以及其表面活性位点对水分解反应的促进作用。硼烯因其独特的电子结构和表面化学特性，能够有效吸收光能并促进电子-空穴对的分离，从而提高光催化效率。此外，通过调控硼烯的结构和相态，可以进一步优化其在光催化过程中的性能，使其在光照条件下具备更高的催化活性和稳定性。这些特性使得硼烯在绿色能源系统中具有重要地位，尤其是在利用可再生能源制氢的过程中。

然而，尽管硼烯在理论和实验层面展现出巨大的潜力，其实际应用仍面临诸多挑战。首先，硼烯的合成过程相对复杂，特别是在常温常压下，其高反应性可能导致材料的不稳定性。其次，硼烯的结构和相态在不同条件下可能发生变化，这可能影响其催化性能。此外，如何将硼烯与其它材料高效结合，形成稳定的复合体系，也是当前研究的一个重点。最后，硼烯在环境中的长期稳定性以及其潜在的毒性和环境影响，也需要进一步研究和评估。

为了应对这些挑战，研究人员正在积极探索新的合成方法和材料设计策略。一方面，通过改进合成工艺，提高硼烯的稳定性和可扩展性，使其能够适用于大规模氢气生产。另一方面，通过构建异质结构、引入缺陷工程和表面功能化，可以进一步优化硼烯的催化性能。这些方法不仅能够提高硼烯的活性位点密度，还能增强其对光和电的响应能力，从而提升其在光催化和电催化水分解中的效率。

此外，硼烯的环境影响和安全性也是其广泛应用的重要考量因素。硼烯作为一种新型材料，其物理化学特性可能对环境产生一定的影响，尤其是在长期使用和大规模生产过程中。因此，研究人员需要对硼烯及其复合材料的环境行为进行深入研究，以确保其在实际应用中的可持续性和安全性。通过系统评估硼烯的环境影响，可以为未来的材料设计和应用提供重要的指导。

综上所述，硼烯作为一种新兴的二维材料，在氢气生产领域展现出巨大的潜力。其独特的物理化学特性，如高电子导电性、丰富的表面活性位点以及可调控的结构和相态，使其在电催化和光催化水分解中具有显著优势。然而，其实际应用仍面临诸多挑战，包括合成复杂性、结构稳定性、环境影响以及与现有设备架构的兼容性。因此，未来的研究需要进一步探索硼烯的合成方法和材料设计策略，以提高其在氢气生产中的效率和可行性。通过不断优化硼烯的性能，结合先进的合成技术和材料工程，有望实现更高效的氢气生产，推动绿色能源技术的发展。