2004年石墨烯問世，真實的單原子層二維材料第一次出現在人們的面前。石墨烯獨特的二維六角蜂窩狀晶體結構和載流子的狄拉克費米子行為帶來了種種奇妙的物理特性，給凝聚態物理的基礎研究領域甚至器件應用領域都帶來了巨大的衝擊。

所有的二維材料中，單元素二維材料由於結構簡單、易於表徵和調控，可以視為模型化的二維晶體系統，利於系統化的基礎研究探索。除碳元素以外，人們首先想到的最有可能擁有二維同素異形體的元素就是與碳同主族的硅、鍺等元素。2012年，人們成功製備出了單層硅烯，隨後鍺烯和錫烯也陸續在實驗室中得以實現。

硼烯的首次出現

硼和氮作為碳元素的兩個最近鄰元素，在其單質或化合物中尋找類石墨烯的二維材料，同樣是一條便捷且可靠的途徑。2014年，南開大學物理學院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學石溪分校奧甘諾夫教授等基於進化算法結合第一性原理計算，預測了一個獨特的二維硼結構。該研究進一步激發了實驗學家挑戰合成硼烯的興趣。2015年12月，美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、美國紐約州立大學石溪分校和美國西北大學等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長出褶皺的單原子層硼烯。聯合團隊獲得的實驗結果與理論模型幾乎完全符合。南開大學團隊承擔了該研究的理論計算工作。

各種穩定的單層硼烯薄膜的模型：(a)δ-type的硼膜；(b)χ-type的硼膜；(c)α-type

硼烯的製備

不同於存在於石墨中層狀結構的石墨烯，自然界中硼不以層狀材料存在。研究人員採用化學氣相沉積方法已經制得了硼團簇和納米管。但這些技術需要昂貴的設備，還需要使用昂貴的有機前軀體，比如乙硼烷。為了製得硼的單層片，研究人員在超高真空腔室內加熱單晶銀襯底，以此來生長硼烯。他們採用電子束蒸發技術從450℃至700℃的固體硼棒上蒸發出硼原子。硼原子自發的沉積在銀上面，形成2D片。

硼烯的性能

相比於石墨烯，硼烯的強度更高，柔韌性更好，密度更輕，也更容易發生化學反應。除了是電和熱的良導體，硼烯還可以實現超導。而且，至少在原理上，硼烯的這些特性都是科學家們可以按需調控的。

硼烯的應用

電池電極

由於硼元素比組成石墨的碳元素要輕，硼烯是目前已知最輕的二維材料。而且，硼烯有著很高的表面活性，也更容易發生化學反應：這使得硼烯很適合用來在電池裡儲存金屬離子。因此，對於鋰電池、鈉電池、鎂電池來說，硼烯都是理想的電極材料，同等重量可以儲存多得多的電能。甚至於，對於有著極高能量密度的鋰硫電池，硼烯也有用武之地。

儲氫

未來新能源汽車的發展，有著兩大路徑——電動汽車和氫能源汽車。電動汽車的核心技術之一是高能量密度、功率密度和高安全性的電池，氫能源汽車則需要高效的儲氫技術。而硼烯，除了可以用於製造電池電極，也可以用來高效儲氫。

與金屬離子一樣，氫離子也很容易粘附在硼烯的單層原子結構上。研究顯示，由於硼烯有著巨大的表面積，它可以儲存相當於自身重量15%以上的氫，儲氫容量顯著優於其他材料。

超級電容

超級電容是可以快速完成充放電，且循環壽命可達數十萬次的儲電技術，功率密度是電池的5-10倍，被認為是用於公交車、有軌電車等交通工具的理想儲能元件。研究發現，幾層硼烯是非常好的超級電容材料。在很高的能量密度下，硼烯製成的超級電容可以實現極高的循環穩定性。

催化劑

硼烯還是最輕的析氫反應催化劑。硼烯可以把氫氣分解成氫離子、把水分解成氫氣和氧氣、以及還原二氧化碳。對於光催化制氫等領域來說，催化劑是其中最重要的一環。有了好的催化劑，它們就可以把燃燒的產物變回燃料，實現能源經濟的零碳循環。而硼烯，將有可能催生出一個水基能源循環的新時代。

傳感器

由於可以與許多物質發生反應，硼烯被認為可以用於製造檢測乙醇、甲醛和氰化氫的傳感器。例如，當乙醇（也就是酒精）被硼烯吸收時，通過硼烯的電流會馬上出現大幅增長。硼烯對於一氧化碳、一氧化氮等有害氣體的吸收也要遠大於石墨烯。

硼烯具有非常豐富的晶體結構和電子性質。硼烯的化學性質相對穩定，有可能在大氣環境下存在，這有助於克服二維材料易被氧化而不穩定的缺點，在納米器件方面具有潛在的應用價值。硼烯較短的鍵長也會使其具備較好的機械性能。對於硼烯的研究還剛剛開始，隨著對其研究的逐漸深入，硼烯所具有的新奇的原子結構和奇特的物理性質將進一步被人們所瞭解，為將來基於硼烯的應用提供更多可能性。

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