综述：硼烯：用于电化学能源创新的新一代二维材料

《Fuel》：Borophene: a next-generation 2D material for electrochemical energy innovations

　　

摘要

硼烯是一种原子级薄的二维硼同素异形体，由于其金属导电性、各向异性电荷传输、高表面活性以及可调控的多态结构，被视为电化学能量转换领域的极具潜力的材料。这些固有特性使得硼烯既可作为电催化剂，也可作为氢气演化反应、氧气演化反应、氧还原反应以及多功能电催化系统的催化剂载体。本综述全面总结了基于硼烯的电催化剂的晶体结构、合成方法、物理化学性质以及最新研究进展，尤其着重对比了理论预测与实验结果的差异。尽管众多密度泛函理论研究显示硼烯具有出色的催化活性，但由于可规模化合成、易氧化以及结构不稳定等难题，相关实验研究仍相对较少。据我们所知，本综述汇总并深入分析了迄今为止所有已报道的基于硼烯的电催化剂，对其当前性能与局限性进行了客观评估。此外，本文还指出了包括可控大规模合成、长期稳定性、机理研究以及器件集成在内的关键挑战，并探讨了通过异质结构设计、先进的原位表征技术以及人工智能辅助催化剂设计等途径带来的未来发展机遇。该综述为开发用于可持续氢气生产及下一代电化学能源技术的基于硼烯的电催化剂提供了重要参考。

引言

近年来，作为一种二维硼同素异形体，硼烯因其卓越的机械、化学和物理性能而成为一种新型材料。自2015年通过分子束外延技术在银基底上成功合成硼烯以来[1]，由于其独特的原子结构以及极高的可调性，科学界一直对硼烯充满兴趣。与石墨烯、磷烯和过渡金属硫属化合物等其他知名的二维材料不同，硼烯具有多态性，这意味着它会根据基底类型和生长条件呈现出不同的晶格结构[2]。正是由于这些多态结构所带来的优异机械、光学、电学和催化性能，硼烯在传感器、电子器件、能量存储以及催化领域展现出巨大应用潜力[3]。过去十年间，全球科学界一直在深入探索硼烯在工程应用方面的价值。

硼烯所具有的固有金属性是其最独特的性质之一，这一特性使其区别于MoS₂和磷烯等半导体型二维材料[4]。由于其离域的π电子，硼烯具备出色的电导率以及优异的电荷传输能力，因此在等离子体学和纳米电子学领域具有特殊应用价值[5]。此外，在某些应用场景中，硼烯凭借其极高的机械柔韧性和出色的面内刚性，性能甚至优于石墨烯。正是由于这种刚性与柔韧性的结合，基于硼烯的器件即便在受到机械应力作用下仍能正常工作，这使得它成为可穿戴技术、应变工程光电器件以及新一代柔性电子器件中的重要组成部分[6]。

除了卓越的机械和电学性能外，硼烯还表现出极强的催化活性，尤其是在氢气演化反应和氧还原反应中。与传统催化剂如铂相比，硼烯因其较高的比表面积、各向异性的化学反应性以及容纳空位和掺杂剂的能力，被证明是更优的电催化剂。当与磷酸钴结合使用时，硼烯在电化学尿素氧化反应中的表现极为出色，其塔菲尔斜率为34.13 mV/dec，而纯硼烯的塔菲尔斜率为58.10 mV/dec，磷酸钴的则为103.17 mV/dec[7]。研究表明，硼烯与磷酸钴之间的界面相互作用有助于稳定较高价态的钴物种，而这些钴物种正是吸附尿素氧化反应中间体的关键。近期研究还发现，掺入过渡金属的硼烯能够进一步提升其在氧还原反应和氢气演化反应中的催化活性[8]、[9]。另外，最新的实验和理论研究也表明，在特定条件下硼烯可能具备超导性，这为量子计算和先进超导器件的研发打开了新的可能性。有研究预测硼烯可通过声子介导实现超导，这一观点也为其在纳米超导系统中的应用提供了理论依据[10]、[11]、[12]。

尽管硼烯拥有诸多优异特性，但其广泛应用仍面临一些障碍。由于硼烯不存在层状结构，其与石墨烯不同——石墨烯可从块状石墨中直接剥离，因此硼烯的大规模制造更为复杂，且严重依赖于特定的基底。目前主流的分子束外延合成方法由于需要特定基底以及极高的真空环境，其规模化应用存在很大限制[3]、[13]。此外，由于硼烯具有很强的化学活性，在常规环境下极易发生快速氧化，因此还需要开发高效的钝化或封装技术来提升其稳定性[14]。解决这些问题对于将硼烯应用于实际场景至关重要。

本综述系统地梳理了硼烯研究领域的最新进展，重点介绍了其制备技术、性能特点以及电化学活性。随着对其稳定性及制备问题的进一步研究，硼烯有望为能源、电子、催化以及量子计算等领域带来革命性变革。

章节节选

二维材料：现状概述

传统的块状材料往往存在效率低下、能耗过高以及结构僵化等问题。相比之下，二维材料（如石墨烯、MXenes、黑磷以及过渡金属硫属化合物）则具备更高的性能和能效，有效解决了上述问题，从而能够在多种技术领域实现先进功能，具体内容见表1。

在半导体工程领域，传统的硅基晶体管

自上而下的制备方法

从块状硼材料中制备高质量二维硼烯仍是一项重大的科学和技术挑战，不同研究团队也提出了多种新的硼烯合成方法。根据现有文献，硼烯的合成方法主要可分为自上而下法和自下而上法两大类。在这两类方法之下，又存在多种具体的合成路径，例如液相剥离法、机械剥离法等等

硼烯与其他二维材料的比较

表3总结了硼烯与各类二维材料的电子特性、光学吸收特性以及稳定性数据。硼烯的突出优势在于其电导率随相位变化而显著改变，同时具备极高的刚度与质量比；尽管其晶格热导率低于纯石墨烯，但高于许多过渡金属硫属化合物[24]、[85]。表3还对比了硼烯与其他已被广泛研究的二维材料的电子及传输特性

氧气演化反应

硼烯展现出了作为氧气演化反应优秀电催化剂的巨大潜力。2021年，Saad等人[90]报道了一种经过金属（银、镍和铜）纳米粒子修饰的硼烯材料（见图3a、b），并将其作为Co₃O₄催化剂的载体，进而研究了该催化剂的氧气演化反应活性。这类Co₃O₄-Ag@B、Co₃O₄-Ni@B和Co₃O₄-Cu@B催化剂是通过三步法制备的。氧气演化反应测试是在1 M KOH溶液环境中，将催化剂滴涂在旋转圆盘电极上，通过三电极体系进行的

结论与未来展望

凭借出色的金属导电性、各向异性电子传输能力、可调控的多态结构、高表面活性以及丰富的活性位点，硼烯已成为电化学能量转换领域最具前景的二维材料之一。这些独特性质使得硼烯既能作为高效电催化剂，也能作为氢气演化反应、氧气演化反应、氧还原反应以及多功能电催化系统的导电催化剂载体。近年来的研究已经证明

作者贡献说明

Aayush Gupta：综述与编辑、初稿撰写、正式分析、概念构思。Loveleen K. Brar：综述与编辑、初稿撰写、正式分析。Soumya Kanti Hazra：综述与编辑、初稿撰写、正式分析。Sachin Jaidka：综述与编辑、正式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者（LKB）感谢DST-PURSE项目（编号SR/PURSE/2023/213）以及TIET-CEEMS项目（编号8379 & 8353）为开展与二维材料及硼烯相关的实验研究提供的资金支持。图10中的图形是通过人工智能图像生成工具创建的，随后由作者们进行编辑和科学验证。作者们对图表的内容与准确性承担全部责任。

Aayush Gupta|Loveleen K. Brar|Soumya Kanti Hazra|Sachin Jaidka

印度马图拉281004，GLA大学机械工程系