来源:Nano Research Energy 发布时间:2023/3/3 9:26:36
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南航台国安课题组:未来可期的硼烯基材料!能源、传感和信息存储应用一览

2023年1月5日,南京航空航天大学台国安课题组在清华大学主办的高水平学术期刊Nano Research Energy (https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120051)发表题为“Borophene-based materials for energy, sensors and information storage applications”的综述文章,该综述全面介绍了硼烯基材料在能源、传感器和信息存储方面应用的最新研究进展。

硼烯作为后起之秀的单元素二维材料,由于其各向异性的载流子迁移率、光学透明性、超高导热性和超导性等新颖特性,得到了广泛的关注。

2015年,南京航空航天大学台国安教授课题组首次通过化学气相沉积法在铜箔上生长出了γ-B28相硼单层(Angew. Chem. In. Ed., 2015, 54, 15473-15477),随后美国阿贡国家实验室和美国西北大学课题组以及科院物理研究所在超洁净银单晶表面生长出二维硼单层(硼烯)(Science, 2015, 350, 1513-1516; Nat. Chem., 2016, 8, 563-568)。这些先驱性的实验制备突破不仅指导了一系列高质量稳定型的硼烯基二维材料的实验制备(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10819-10825;ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 60987-60994);J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 8218-8226),还加快了硼烯在传感、能源、信息存储等高科技领域的研究进程。

图1. 硼烯基材料在能源、传感和信息存储方面的多功能应用

丰富的结构相赋予硼烯具有可调的带隙范围,弥补了半金属零带隙石墨烯、宽带隙过渡金属硫族化合物和绝缘性六方氮化硼各自的不足。

与少数层磷烯环境条件下结构不稳定相比,一些典型的硼烯能在空气环境甚至酸或碱溶剂中表现出良好的稳定性(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10819-10825;J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13761-13769.)。理论结果表明,硼烯的理论储存容量高于石墨烯,它有望成为可充电锂离子或钠离子电池的先进电极材料。

此外,8B-Pmmn硼烯在室温下具有106 cm2V-1s-1的超高预测载流子迁移率,高于石墨烯的载流子迁移率 (2×105 cm2V-1s-1)。理论表明,硼原子与气体分子之间存在显着的原子键合,电荷可以从气体分子快速转移到硼烯表面。研究发现,硼烯具有大量的活性位点,其氢吸附自由能(ΔGH)的计算值甚至接近于零

基于此,硼烯似乎适用于许多应用领域,尤其是能源、传感以及信息存储。近年来,随着稳定、高质量硼烯及其异质结构的实验实现,硼烯基材料在这三大领域的应用研究工作已被实验相继报道。

迄今为止,虽然硼烯领域已经发表了一些综述文章,包括硼烯的结构、合成、性质和潜在应用的发展,但是大多数文章都从理论的角度讨论其潜在的应用,很少有综述论文系统论述硼烯基材料在应用领域的实验进展,特别是能源、传感和信息存储领域。

在本篇综述中,作者首先简要介绍了硼烯理论和实验的发展历程。随后,全面总结了硼烯基材料在能源、传感和信息存储等领域的最新研究进展。最后,作者对硼烯在未来研究方向中存在的问题和挑战提出了一些合理的建议和讨论。

论文信息:

Hou C, Tai G, Liu Y, et al. Borophene-based materials for energy, sensors and information storage applications. Nano Research Energy, 2023, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120051

doi:10.26599/NRE.2023.9120051

Nano Research Energy 是Nano Research姊妹刊,(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊,由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文,已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2025年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。

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