211service.com
Sorry, grafeen - borofeen is het nieuwe wondermateriaal waar iedereen enthousiast van wordt
Jury | wikimedia commons
Nog niet zo lang geleden was grafeen het grote nieuwe wondermateriaal. Een supersterk, atoomdik vel koolstofkippengaas, het kan buizen, ballen en andere merkwaardige vormen vormen. En omdat het elektriciteit geleidt, wekten materiaalwetenschappers het vooruitzicht op een nieuw tijdperk van op grafeen gebaseerde computerverwerking en een lucratieve grafeenchip-industrie om op te starten. De Europese Unie heeft €1 miljard geïnvesteerd om een grafeenindustrie op gang te brengen.
Deze dappere nieuwe op grafeen gebaseerde wereld moet nog werkelijkheid worden. Maar het heeft geleid tot een interesse in andere tweedimensionale materialen. En het meest opwindende van alles is borofeen: een enkele laag booratomen die verschillende kristallijne structuren vormen.
De reden voor de opwinding is het buitengewone scala aan toepassingen waarvoor borofeen er goed uitziet. Elektrochemici denken dat borofeen het anodemateriaal kan worden in een nieuwe generatie krachtigere lithium-ionbatterijen. Chemici zijn gefascineerd door zijn katalytische mogelijkheden. En natuurkundigen testen zijn capaciteiten als sensor om talloze soorten atomen en moleculen te detecteren.
Vandaag bespreken Zhi-Qiang Wang van de Xiamen University in China en een aantal collega's de opmerkelijke eigenschappen van borofeen en de toepassingen waartoe ze kunnen leiden.
Borofeen heeft een korte geschiedenis. Natuurkundigen voorspelden voor het eerst het bestaan ervan in de jaren negentig met behulp van computersimulaties om te laten zien hoe booratomen een monolaag zouden kunnen vormen.
Maar deze exotische stof werd pas in 2015 gesynthetiseerd met behulp van chemische dampafzetting. Dit is een proces waarbij een heet gas van booratomen condenseert op een koel oppervlak van puur zilver.
De regelmatige rangschikking van zilveratomen dwingt booratomen in een soortgelijk patroon, waarbij elk aan wel zes andere atomen bindt om een platte zeshoekige structuur te creëren. Een aanzienlijk deel van de booratomen bindt zich echter alleen met vier of vijf andere atomen, en dit creëert vacatures in de structuur. Het patroon van vacatures geeft borofeenkristallen hun unieke eigenschappen.
Sinds de synthese van borofeen hebben chemici de eigenschappen ervan gretig gekarakteriseerd. Borofeen blijkt sterker te zijn dan grafeen, en flexibeler. Het is een goede geleider van zowel elektriciteit als warmte, en het is ook supergeleidend. Deze eigenschappen variëren afhankelijk van de oriëntatie van het materiaal en de opstelling van vacatures. Dit maakt het afstembaar, althans in principe. Dat is een van de redenen waarom scheikundigen zo enthousiast zijn.
Borofeen is ook licht en redelijk reactief. Dat maakt het een goede kandidaat voor het opslaan van metaalionen in batterijen. Borofeen is een veelbelovend anodemateriaal voor Li-, Na- en Mg-ionbatterijen vanwege de hoge theoretische specifieke capaciteiten, uitstekende elektronische geleidbaarheid en uitstekende ionentransporteigenschappen, zeggen Wang en co.
Waterstofatomen hechten ook gemakkelijk aan de enkellaagse structuur van borofeen, en deze adsorptie-eigenschap, gecombineerd met het enorme oppervlak van atomaire lagen, maakt borofeen een veelbelovend materiaal voor waterstofopslag. Theoretische studies suggereren dat borofeen meer dan 15% van zijn gewicht in waterstof zou kunnen opslaan, waardoor het aanzienlijk beter presteert dan andere materialen.
Dan is er het vermogen van borofeen om de afbraak van moleculaire waterstof in waterstofionen en water in waterstof- en zuurstofionen te katalyseren. Volgens het team zijn uitstekende katalytische prestaties van borofeen gevonden in de waterstofevolutiereactie, de zuurstofreductiereactie, de zuurstofevolutiereactie en de CO2-elektroreductiereactie. Dat zou een nieuw tijdperk van op water gebaseerde energiecycli kunnen inluiden.
Desalniettemin hebben scheikundigen nog wat werk te doen voordat borofeen op grotere schaal kan worden gebruikt. Om te beginnen moeten ze nog een manier vinden om borofeen in grote hoeveelheden te maken. En de reactiviteit van het materiaal betekent dat het kwetsbaar is voor oxidatie, dus het moet zorgvuldig worden beschermd. Beide factoren maken borofeen duur om te maken en moeilijk te hanteren. Er is dus werk aan de winkel.
Maar chemici hebben een groot geloof. Borofeen wordt misschien wel het volgende wondermateriaal dat de wereld binnenkomt.
Referentie: arxiv.org/abs/1903.11304 : Beoordeling van borofeen en zijn mogelijke toepassingen