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综述:硼烯及其在能源与催化领域的研究进展

已有 9124 次阅读 2019-4-11 10:11 |系统分类:科研笔记

综述:硼烯及其在能源与催化领域的研究进展

 

硼烯(borophene)是世界上最轻的二维材料,于2015年由美国阿贡国家实验室和中科院物理研究所两个课题组先后独立成功合成[1-2]。美国阿贡国家实验室合成的硼烯(2-Pmmn borophene)材料具有褶皱,表现出很强的力学、晶格热导以及电学的各向异性。中科院物理所吴克辉教授课题组合成的两种硼烯结构12χ3 borophene)具有不同的硼空位缺陷排布,原子结构不具有褶皱;随后,该课题组还成功合成了二维六角蜂窝状硼烯[3]。在成功的实验合成之后,硼烯引发了国际上大量理论与实验课题组的研究兴趣。 

1  四种不同结构硼烯(2-Pmmn, β12, χ3honeycomb borophene)的STM以及原子结构模型. [1-3]

 

近日,厦门大学物理系郑金成教授与新加坡国立大学物理系冯元平教授课题组受邀在Frontiers of Physics期刊上发表了题为Review of borophene and its potential applications的综述文章。该文的第一作者是厦门大学物理系王志强博士,目前通过中国留学基金的资助由新加坡国立大学物理系冯元平教授课题组联合培养。

 

文章首先介绍了各种实验合成以及理论预测的硼烯结构。硼烯表现出显著的结构多样性,如图2所示,在距最低能量很小的一个能量区间内就聚集着大量不同结构的硼烯[4]。硼烯材料不同于常见的石墨烯、硅烯、黑磷以及二硫化钼等二维材料,硼烯材料中硼的空位具有非常多种多样的排列方式,并且出现了大量能量非常接近的结构。文中对空位浓度、金属衬底以及化学修饰对硼烯结构的稳定性的影响进行了讨论。 

 

2  不同硼空位浓度的硼烯的形成能(以无空位缺陷的硼烯作为能量参考). [4]

 

文章对硼烯材料的基本物理与化学性质进行了概述,包括硼烯的力学性质、晶格热导、电学、光学以及超导特性。2-Pmmn相硼烯材料表现出显著的力学各向异性。沿着armchair方向的杨氏模量高达398 N/m, 而沿着zigzag方向的值为170 N/m。作者分别从空位浓度、氢化、氟化、层数与温度等因素对力学性质的影响进行了讨论。此外硼烯的超导特性还表现出了有趣的规律,硼烯的超导临界温度与硼的空位浓度呈现“V”字型的关系。通过分析发现这与费米能级处的电子态的数目有关,而费米能级处的电子态数目又影响了结构的稳定性。

 

最后,文章对硼烯在金属离子电池、锂硫电池、储氢、超级电容器以及在HEROERORR等化学反应催化领域的潜在应用做了一个概述。硼烯材料由于硼的原子质量很小,并且其表面活性很高以及硼本身缺电子的特性,使得Li/Na/K/Mg/Ca/Al在其表面的吸附具有较大的吸附能与超高的理论容量。同时,硼烯材料表现出金属特性,使得硼烯材料作为金属二次电池负极具有很好的电子导电性。此外,由于2-Pmmn结构硼烯独特的凹槽结构,沿着槽的方向离子输运具有超高的迁移速率。因此,硼烯材料有望在金属二次电池领域得到应用。由于硼烯材料具有多种多样的结构,无硼空位缺陷的硼烯由于表面活性太高,使得Li2Sx (x=1,2,4,6,8)分子在其表面吸附具有非常大的吸附能,从而导致锂硫分子结构发生严重的畸变,这使得该结构硼烯材料不适合应用在锂硫电池领域。但是具有一定硼空位缺陷的β12χ3相硼烯材料不仅其结构稳定性提高了,表面活性也降低了,这使得这两种材料有望作为anchoring材料在锂硫电池中得到应用。类似地,在文章中,作者对空位浓度以及不同的金属原子的修饰对硼烯材料储氢的应用进行了总结。同样,由于硼的原子质量很小,再加上金属原子的修饰,硼烯作为材料具有很高的储氢容量。此外,该文对硼烯材料在各种催化反应领域的应用进行了概述。同样由于硼烯结构的多样性,理论计算表明多种硼烯材料适合作为HER反应的催化剂。文末对硼烯材料的性质与应用进行了总结并提出了展望。

 

本文力求尽量覆盖硼烯材料的大部分相关工作。但由于该领域进展非常快,新成果日新月异,无法囊括所有重要成果,有所遗漏在所难免。因此,本文更多的是抛砖引玉,尝试总结硼烯材料的进展,以期推动该领域的进一步研究。该文得到了高校中央业务费资助(基金号:20720160020)和国家自然科学基金资助(基金号:1133500651661135011U1501501)。

 

通信作者

冯元平教授,新加坡国立大学物理系,E-mail: phyfyp@nus.edu.sg

郑金成教授,厦门大学物理系,E-mail: jczheng@xmu.edu.cn

 

文章链接

Zhi-Qiang Wang, Tie-Yu Lü, Hui-Qiong Wang, Yuan Ping Feng, and Jin-Cheng Zheng, Review of borophene and its potential applications, Front. Phys. 14(3), 33403 (2019) 

pdf全文下载:http://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-019-0884-5


 

郑金成教授课题组简介

 

 

厦门大学物理科学与技术学院郑金成教授课题组依托厦门大学物理系、福建省2011“半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心和福建省理论与计算化学重点实验室,主要开展计算能源材料结合人工智能研究。郑教授同时协助厦门大学马来西亚分校创新与科研的建设。厦门大学马来西亚分校 (www.xmu.edu.my) 是第一所设立海外校区的中国985高校,于20162月正式开课。分校的办学愿景之一是成为教学与科研并重的、具有广泛区域影响力的大学, 目前已经有4000多名本科生。截止目前,分校共发表206SCI国际刊物文章,其中以分校为第一单位发表的有84篇(包括以本科生为第一作者的文章),Q1文章104 (包括《柳叶刀》、《自然通讯》等国际知名杂志),总引用将近2700次,体现了一定的科研实力和潜力。厦门大学物理科学与技术学院郑金成教授课题组依托厦门大学物理系、福建省2011“半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心和福建省理论与计算化学重点实验室,主要开展计算能源材料结合人工智能研究。郑教授同时协助厦门大学马来西亚分校创新与科研的建设。厦门大学马来西亚分校 (www.xmu.edu.my) 是第一所设立海外校区的中国985高校,于20162月正式开课。分校的办学愿景之一是成为教学与科研并重的、具有广泛区域影响力的大学, 目前已经有4000多名本科生。截止目前,分校共发表206SCI国际刊物文章,其中以分校为第一单位发表的有84篇(包括以本科生为第一作者的文章),Q1文章104 (包括《柳叶刀》、《自然通讯》等国际知名杂志),总引用将近2700次,体现了一定的科研实力和潜力。

 

参考文献

1. A. J. Mannix, X. F. Zhou, B. Kiraly, J. D. Wood, D. Alducin, B. D. Myers, X. Liu, B. L. Fisher, U. Santiago, J. R. Guest, M. J. Yacaman, A. Ponce, A. R. Oganov, M. C. Hersam, and N. P. Guisinger, Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs, Science 350, 1513 (2015)

2. B. Feng, J. Zhang, Q. Zhong, W. Li, S. Li, H. Li, P. Cheng, S. Meng, L. Chen, and K. Wu, Experimental realization of two-dimensional boron sheets, Nat. Chem. 8, 563 (2016)

3. W. Li, L. Kong, C. Chen, J. Gou, S. Sheng, W. Zhang, H. Li, L. Chen, P. Cheng, and K. Wu, Experimental realization of honeycomb borophene, Sci. Bull. 63, 282 (2018)

4. E. S. Penev, S. Bhowmick, A. Sadrzadeh, and B. I. Yakobson, Polymorphism of two-dimensional boron, Nano Lett. 12, 2441 (2012) 

 



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