211service.com
Beklager, grafen – borofen er det nye vidundermaterialet som gleder alle
Jury | wikimedia commons
For ikke så lenge siden var grafen det store nye vidundermaterialet. Et supersterkt, atomtykt ark med karbon kyllingtråd, det kan danne rør, kuler og andre nysgjerrige former. Og fordi den leder elektrisitet, reiste materialforskere utsiktene til en ny æra med grafenbasert databehandling og en lukrativ grafenbrikkeindustri. Den europeiske union investerte 1 milliard euro for å kickstarte en grafenindustri.
Denne modige nye grafenbaserte verdenen har ennå ikke materialisert seg. Men det har utløst en interesse for andre todimensjonale materialer. Og det mest spennende av alt er borofen: et enkelt lag med boratomer som danner forskjellige krystallinske strukturer.
Årsaken til spenningen er det ekstraordinære utvalget av bruksområder som borofen ser bra ut for. Elektrokjemikere tror borofen kan bli anodematerialet i en ny generasjon kraftigere litiumionbatterier. Kjemikere er fascinert av dens katalytiske evner. Og fysikere tester dens evner som en sensor for å oppdage en rekke typer atomer og molekyler.
I dag gjennomgår Zhi-Qiang Wang ved Xiamen University i Kina og en rekke kolleger de bemerkelsesverdige egenskapene til borofen og bruksområdene de kan føre til.
Borophene har en kort historie. Fysikere forutså først eksistensen på 1990-tallet ved å bruke datasimuleringer for å vise hvordan boratomer kunne danne et monolag.
Men dette eksotiske stoffet ble ikke syntetisert før i 2015 ved bruk av kjemisk dampavsetning. Dette er en prosess der en varm gass av boratomer kondenserer på en kjølig overflate av rent sølv.
Det vanlige arrangementet av sølvatomer tvinger boratomer inn i et lignende mønster, som hver binder seg til så mange som seks andre atomer for å lage en flat sekskantet struktur. Imidlertid binder en betydelig andel boratomer seg kun med fire eller fem andre atomer, og dette skaper ledige plasser i strukturen. Mønsteret av ledige stillinger er det som gir borofenkrystaller deres unike egenskaper.
Siden syntesen av borofen har kjemikere ivrig karakterisert egenskapene. Borofen viser seg å være sterkere enn grafen, og mer fleksibelt. Den er en god leder av både elektrisitet og varme, og den er også superleder. Disse egenskapene varierer avhengig av materialets orientering og arrangementet av ledige stillinger. Dette gjør den justerbar, i hvert fall i prinsippet. Det er en grunn til at kjemikere er så begeistret.
Borofen er også lett og ganske reaktivt. Det gjør den til en god kandidat for lagring av metallioner i batterier. Borofen er et lovende anodemateriale for Li-, Na- og Mg-ionbatterier på grunn av høy teoretisk spesifikk kapasitet, utmerket elektronisk ledningsevne og enestående ionetransportegenskaper, sier Wang og co.
Hydrogenatomer fester seg også lett til borofenens enkeltlagsstruktur, og denne adsorpsjonsegenskapen, kombinert med det enorme overflatearealet til atomlagene, gjør borofen til et lovende materiale for hydrogenlagring. Teoretiske studier tyder på at borofen kan lagre over 15 % av vekten i hydrogen, noe som gir betydelig bedre resultater enn andre materialer.
Så er det borofens evne til å katalysere nedbrytningen av molekylært hydrogen til hydrogenioner, og vann til hydrogen- og oksygenioner. Enestående katalytisk ytelse av borofen er funnet i hydrogenutviklingsreaksjon, oksygenreduksjonsreaksjon, oksygenutviklingsreaksjon og CO2 elektroreduksjonsreaksjon, sier teamet. Det kan innlede en ny æra av vannbaserte energisykluser.
Likevel har kjemikere litt arbeid å gjøre før borofen kan bli mer utbredt. Til å begynne med har de ennå ikke funnet en måte å lage borofen i store mengder. Og materialets reaktivitet betyr at det er sårbart for oksidasjon, så det må beskyttes nøye. Begge faktorene gjør borofen dyrt å lage og vanskelig å håndtere. Så det er arbeid foran.
Men kjemikere har stor tro. Borofen kan bare bli det neste vidundermaterialet som kommer inn i verden.
Ref: arxiv.org/abs/1903.11304 : Gjennomgang av borofen og dets potensielle bruksområder