综述：硼烯在能量转换与存储中的应用：技术与机遇

《Results in Surfaces and Interfaces》：Energy Conversion and Storage Using Borophene: Technology and Opportunity

　　

硼烯（Borophene），一种二维硼的同素异形体，已成为下一代能量转换与存储系统中极具前景的材料。其金属导电性、高比表面积、机械柔韧性和可调电子结构，使其在电荷传输和离子扩散方面优于包括石墨烯（graphene）或MXenes在内的更传统二维材料。近期在合成、结构稳定化和杂化复合材料方面的进展，为其在锂离子、钠离子和镁离子电池、超级电容器以及氢存储中的应用开辟了可能性。硼烯（Borophene）的各向异性导电性和多晶相（polymorphic phases）增强了其在析氢反应（hydrogen evolution）、氧还原反应（oxygen reduction）和热电转换（thermoelectric conversion）中的催化活性。然而，大规模生产和可持续性问题仍然存在。机器学习和计算建模的持续发展可用于优化硼烯（borophene）的电化学性能和寿命。硼烯（Borophene）是一种新兴的平台技术，将材料科学与可持续能源技术相结合，为快速、高密度和柔性器件中的能量存储与转换提供了未来。本稿件的新颖之处在于将硼烯（borophene）作为一个单一的能量平台引入，而非一组孤立的性质或用途。它全面地将硼烯（borophene）的多晶型现象（polymorphism）、各向异性金属导电性和键合化学与能量存储和转换器件中的实际性能指标联系起来。该工作通过将原子级概念与器件级含义相连接，并引入新的优化方法，为从理论到实用能源技术提供了更直接的路径。

论文主体部分总结如下：

**2. 硼烯的基础（Fundamentals of Borophene）**
硼烯（Borophene）因其各向异性金属导电性、高载流子迁移率、机械柔韧性和可调带隙，在能量转换与存储中具有创新性。其原子结构和多晶型现象（polymorphism）直接影响其在电池、超级电容器以及析氢反应（hydrogen evolution）和氧还原反应（oxygen reduction）催化中的功能。研究人员致力于开发可规模化合成技术，并通过理论建模与实验进展相结合，提升能量密度、转换效率和充放电性能。

**2.1. 硼烯的起源与出现（Origin and Emergence of Borophene）**
二维纳米材料因高比表面积和量子限域效应而备受关注。继石墨烯（graphene）之后，黑磷（BP）、六方氮化硼（BN）和过渡金属二硫化物（TMDs）等二维材料得到发展。硼烯（Borophene）作为硼的单原子层，具有独特的三角形和六边形空位图案。2014年提出“硼烯”术语，2015年首次在金属表面合成多种多晶型。理论预测和实验证实了其金属性和柔性。

**2.1.1. 原子结构与同素异形体（Atomic Structure and Allotropes）**
硼烯（Borophene）存在多种同素异形体，如α-sheet、β12-sheet、χ3-sheet等，其结构由全局密度参数η（六边形空位与三角形单元之比）和配位数（CN）描述。α-sheet具有最高内聚能。自由站立硼烯（borophene）动态不稳定，需通过基底相互作用或表面功能化（如氢化）来稳定。

**2.2. 键合与电子构型（Bonding and Electronic Configuration）**
硼（B）的缺电子特性导致其存在双中心两电子（2c-2e）键和三中心两电子（3c-2e）键。这种离域键合使硼烯（borophene）具有柔性晶格和混合键合特征，在费米能级附近产生部分占据的能带，使大多数相呈现金属性。键合能方程包含双中心和三中心键贡献。

**2.3. 合成技术（Synthesis Techniques）**
硼烯（Borophene）的合成方法分为自下而上（bottom-up）、自上而下（top-down）和复合基（composite-based）三类。自下而上法包括基底支撑外延生长（如分子束外延MBE）和化学气相沉积（CVD）及原子层沉积（ALD）。自上而下法包括超声化学剥离和改良的Hummer法。复合基合成将硼烯（borophene）与其他二维材料（如石墨烯、MoS₂）结合，形成异质结构以增强稳定性和电荷传输。

**2.4. 稳定性与可调性（Stability and Tunability）**
硼烯（Borophene）在自由站立形式下易氧化和降解。多层堆叠、基底锚定和化学功能化（如氢化）可提高稳定性。X射线光电子能谱（XPS）显示多层膜在氩气环境中可维持结构5-7天。基底工程（如Ag(111)）可防止分层和氧化。

**3. 硼烯的性质（Properties of Borophene）**
硼烯（Borophene）的异常各向异性和键合结构赋予其优异的物理、化学和电学性质。其高导电性、柔韧性和可调电子结构使其在下一代电池、超级电容器和燃料电池中具有前景。

**3.1. 电子与拓扑性质（Electronic and Topological Properties）**
硼烯（Borophene）的金属性源于缺电子键合，s、p_x、p_y轨道形成σ和σ*态，p_z轨道形成π和π*态，导致π带部分填充。理论预测超导性，β12和χ3相的转变温度（T_s）可分别超过18.7 K和24.7 K。硼烯（Borophene）还拥有拓扑特性，如各向异性狄拉克费米子（Dirac fermions）和狄拉克锥（Dirac cones），由晶格对称性而非自旋-轨道耦合（SOC）主导。

**3.2. 机械性质（Mechanical Properties）**
硼烯（Borophene）的多中心共价键使其具有刚性和结构流动性。面内键能约5.9 eV，泊松比各向异性且在低应变下为负。某些多晶型（如η=1/6）具有约16.4 N/m的极限拉伸强度和大C/D比，是韧性最强的二维材料。机械性能随六边形空位密度η变化。

**3.3. 热学性质（Thermal Properties）**
硼烯（Borophene）的热稳定性和热导率与结构相关。自由站立片在脱离基底后可能不稳定，完全氢化可提高热稳定性。硼烯（Borophene）具有极高的晶格热导率，接近甚至超过石墨烯（graphene），源于低原子质量、短B-B键和各向异性声子色散。热输运呈各向异性。

**3.4. 光学性质（Optical Properties）**
硼烯（Borophene）在可见光范围内反射率（<1%）和吸收率（<1%）较低，但在紫外区（约6.5-9.6 eV）光学电导率大幅上升。其光学响应可通过机械应变（0-6%）和施加电压调谐。表3总结了其各向异性吸收、金属响应和可调等离激元行为。

**3.5 与其他Xenes的比较（Comparison with Other Xenes）**
与石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）和锗烯（germanene）相比，硼烯（Borophene）具有多晶型、强面内各向异性、金属性和高表面反应性。其金属导电性、结构多晶型和机械柔韧性使其在电化学能量存储中具有优势。

**4. 硼烯在能量存储与转换中的应用（Application of Borophene in Energy Storage and Conversion）**
硼烯（Borophene）因其高导电性、大比表面积和可调结构，广泛应用于锂离子电池、燃料电池、超级电容器和锂空气电池。近期进展聚焦于合成、稳定化、原子工程、器件原型和界面控制。表5比较了代表性硼烯多晶型作为金属离子电池负极的电化学性能。

**4.1. 硼烯在能量存储中的应用（Applications of Borophene in Energy Storage）**
硼烯（Borophene）因其优异的离子电导率和热稳定性，适用于高性能电池。电化学热电路模型可模拟电池在瞬态条件下的行为，预测性能并解决温度敏感性。

**4.2. 硼烯作为金属离子电池负极材料（Borophene as an Anode Material in Metal-Ion Batteries）**
硼烯（Borophene）作为负极材料，理论容量远高于石墨（372 mAh g^-1）和MoS₂（670 mAh g^-1）。锂离子扩散势垒极低（0.12 eV）。β12多晶型理论锂离子容量高达1984 mAh/g。硼烯（Borophene）对多价离子（如Mg²⁺、Ca²⁺）也表现出良好吸附和扩散性能。表6总结了理论容量、结合能（E_b）和扩散能垒（E_d）。

**4.2.1. 锂离子电池（Lithium-Ion Batteries）**
硼烯（Borophene）作为负极，理论容量显著高于石墨。锂扩散速率比MoS₂和石墨烯高10⁴-10⁵倍，扩散能垒低至约0.007 eV。锂存储以表面吸附和定向迁移为主。硼掺杂碳片（BC₂）理论容量约1667 mAh g^-1，双层褶皱硼烯（borophene）容量约1859 mAh g^-1，硼烷（borophane）容量504 mAh g^-1。

**4.2.2. 钠离子电池（Sodium-Ion Batteries）**
硼烯（Borophene）作为钠离子电池负极，理论容量可达1264-1536 mAh g^-1，钠扩散能垒低至0.0019 eV。β12和χ3相实验合成，其他相多为理论预测。钠化过程中保持金属性和结构完整性。

**4.2.2.1. 硼烯相用于钠离子存储的实验可行性（Experimental Feasibility of Borophene Phases for Sodium-Ion Storage）**
β12和χ3相已在Ag(111)和Au(111)基底上实验合成，是近期钠离子电池应用最现实的选项。其他理论结构（如氢化、自由站立多晶型）尚未实验验证。

**4.2.3. 钾离子电池（Potassium-Ion Batteries）**
钝化Janus硼烯（如B₃F、B₃Cl）作为钾离子电池负极，理论容量347 mAh g^-1，离子跳跃势垒低于0.11 eV。三维多孔结构（如3D-β12-硼烯）具有超高存储容量。

**4.2.4. 锌离子电池（Zinc-Ion Batteries）**
硼烯（Borophene）与锌离子结合能约0.79 eV，扩散势垒小，理论容量433 mAh g^-1，晶格变化小于5.0%。

**4.2.5. 锂硫电池（Lithium-Sulfur Batteries）**
硼烯（Borophene）及其衍生物可锚定多硫化锂（LiPS），抑制穿梭效应。缺陷硼烯（borophene）吸附能1-3 eV，保持金属性。MoB₂电极初始容量1116 mAh g^-1，500次循环后保持558 mAh g^-1。完美褶皱硼烯（B0）与石墨烯异质结构（B0/G）经过渡金属掺杂可提高吸附能。

**4.2.6. 钠氧电池（Sodium-Oxygen Batteries）**
硼烯（Borophene）作为Na-O₂电池负极，对NaO₂的吸附能分别为-3.85 eV（自由站立）和-3.24 eV（α-硼烯），分解能0.73和0.52 eV，扩散能垒0.89和1.37 eV，保持金属性。

**4.2.7. 硼烯作为超级电容器电极材料（Borophene as Electrode Material for Supercapacitors）**
硼烯（Borophene）的α、β12、χ3、δ6相具有狄拉克锥和高费米速度。二维硼烯基超级电容器比电容350 F g^-1，量子电容计算值1933.2-1133.4 F g^-1（±0.8 V），远高于石墨烯。杂化纳米复合物如SNC-Bp//SNC-Bp比电容805.3 F g^-1（10 mV s^-1）和607 F g^-1（1 A g^-1），能量密度29.2 Wh kg^-1。PEDOT:PSS/β12-硼烯电极比电容853 F g^-1，PANI:α-硼烯电极960 F g^-1，循环1000次后保持95%。柔性MXene/硼烯（MxB）电极比电容约626.70 F g^-1（1 A g^-1），能量密度约75.60 Wh kg^-1。

**4.3. 硼烯在能量转换中的应用（Applications of Borophene in Energy Conversion）**
硼烯（Borophene）在电池、超级电容器和氢基系统中具有应用。图6示意其结构及在能量转换中的应用。

**4.3.1. 硼烯用于高性能超级电容器（Borophene for High-Performance Supercapacitors）**
硼烯（Borophene）比表面积约2000 m²/g，理论电容450-550 F/g，优于石墨烯（100-200 F/g）。其弱离子阻力加速充放电。可通过与聚合物或过渡金属氧化物复合避免堆叠。

**4.3.2. 硼烯在燃料电池和氢能系统中的应用（Borophene in Fuel Cells and Hydrogen Energy Systems）**
硼烯（Borophene）在析氢反应（HER）中过电位低至0.18 V，接近铂。氢吸附量高达15 wt%，远超美国能源部目标（5.5 wt%）。但化学不稳定性和规模化生产问题仍需解决。表7总结了能量转换能力。

**5. 近期进展与策略方法（Recent Advancements and Strategies Approaches）**
近期进展包括改进的MBE、CVD方法、基底工程、化学功能化、封装保护、应变调控、缺陷工程和杂原子掺杂。高吞吐量DFT和机器学习筛选加速发现。

**5.1. 近期进展（Recent Advancements）**
**5.1.1. 超级电容器（Supercapacitors）**：硼烯（Borophene）的狄拉克锥结构提高量子电容，氮、硫掺杂使量子电容达187.8 μF/cm²。
**5.1.2. 氢存储（Hydrogen Storage）**：理论储氢量15 wt%，锂、钙掺杂提高吸附能。
**5.1.3. 能量转换催化（Catalysis in Energy Conversion）**：HER过电位低至0.20 V，碱金属装饰提高吸附能。
**5.1.4. 光伏应用（Photovoltaic Applications）**：强可见光和近红外吸收，快速电荷转移，各向异性等离激元增强光捕获。

**5.2. 增强能量的策略技术（Strategic Techniques for Enhancing Energy）**
**5.2.1. 表面功能化（Surface Functionalization）**：氟化、氢化、氧功能化、金属装饰可调谐电子性质。部分氟化（30-50%覆盖）实现导电性和稳定性平衡。碱土金属（Mg、Ca）优于碱金属。离子液体阳离子原位形成SEI。顺序或多功能化（如氢化+部分氧化）提高Li⁺扩散性。氨基化硼烯（B-NH₂）与聚合物粘合剂形成共价连接。单原子金属位点（Fe-N_x、Co-N_x）模拟有机催化剂。
**5.2.2. 异质结构形成（Heterostructure Formation）**：与石墨烯、MoS₂等形成异质结构，提高稳定性和可调电子性质。
**5.2.3. 掺杂（Doping）**：过渡金属（Fe、Co、Ni）掺杂改变电子性质，氮、硫掺杂提高催化活性。共掺杂（N、S）增强循环稳定性。表8列出不同应用推荐掺杂剂。
**5.2.4. 可规模化合成方法（Scalable Synthesis Methods）**：CVD、热分解、MBE、电化学处理、机械剥离、湿化学法。等离子体增强CVD（PECVD）在低温下生长。离子液体辅助超声剥离获得稳定分散液。电化学剥离得到少层硼烯。CVD-MBE混合系统实现原位封装。模板辅助生长控制孔拓扑。

**6. 当前挑战（Current Challenges）**
主要挑战包括：合成与规模化困难（均匀性、相控制）、环境稳定性差（氧化、降解）、材料表征困难（多相、薄层）、器件集成问题（界面稳定性、大面积制备）、成本与环境影响（昂贵设备、有毒废物）。

**7. 未来机遇（Future Opportunities）**
未来方向包括：高性能电池（Li、Na、Mg、Al离子）、超级电容器（高功率、柔性）、析氢与存储（HER催化、高容量存储）、能量