随着科技发展对材料性能要求的持续攀升，传统二维材料已难以满足多元需求，探索性能卓越的新材料成为必然趋势。在二维材料的研究过程中，MXenes率先崭露头角，其诸多特性引发广泛关注，然而其易氧化及稳定性欠佳等缺陷也逐渐显露。此时，二维过渡金属硼化物（MBenes）作为新兴材料引发了研究人员的关注，MBenes与MXenes虽同属新型层状二维材料家族，但在组成、结构及性质方面有一定差异。由于MBenes具备更高的杨氏模量、出色的抗氧化能力等独特优势，在能源转换和存储等关键领域展现出极为可观的应用潜力，有望成为解决能源问题的关键材料。
北京科技大学新材料技术研究院王茜特聘副研究员、北京材料基因工程高精尖创新中心郑金龙副教授全面总结了MBenes材料的最新研究进展，硕士生杨雨荃为第一作者。首先，对MBenes进行了结构分析，从对MAB相的研究开始，深入探讨了其元素组成和晶体结构，并通过分析键能差异，概述了通过MAB相合成MBenes的机制。其次，对近年来研究者们采用的包括酸/碱刻蚀、高温脱合金、熔融盐刻蚀在内的六种合成方法进行了详实的分析和总结。此外，本综述系统地阐述了MBenes的性质，包括动力学和热力学稳定性、杨氏模量、泊松比和能带结构等方面，并与其他二维材料（MoS2、黑磷等）进行比较分析。最后，广泛讨论了MBenes在能量转换（HER、OER、CO2RR等）和能量存储方面（锂离子电池、钠离子电池等）的众多应用，并在综述的结尾部分，对MBenes进行总结和前瞻性分析。
图1. MBenes的代表性实验研究历史年表
在研究MXenes的过程中，2015年Ade和Hillebrecht发现了几种和MAX相结构相似的材料，包括CrxAlBy、MoAlB、WAlB、Mn2AlB2和Fe2AlB2在内，它们均有类MAX的层状结构，并且由B元素代替了C或N，因此研究人员将其命名为“MAB-Phase”，其为层状三元/四元过渡金属硼化物相。由于MAB具有明显的二维倾向性，并且MAB具有共价、金属和离子的混合键，因此激发了人们的研究兴趣。2017年Sun等人首次发现了可以从MAB相中得到的一组正交过渡金属硼化物，其中M元素包括Cr、Mo、W、Fe、Mn在内，通过将其与MXenes进行类比，于是首次把这种类似于MXenes的产物命名为MBenes，即层状过渡金属硼化物，新型二维材料MBenes的研究从此掀开序幕，后续实验人员针对MBenes开展了一系列的研究。与传统层状二维材料石墨烯相类比，石墨烯是单层二维材料，而由多个原子层堆叠而成的多层石墨仍然具有二维特性。与之相似的，单层或部分多层的MBenes也均可被认定为二维材料。这是由于多层MBenes的层的生长方向上仍具有纳米尺度的厚度，且在三维空间的另两个方向上具有宏观尺度的尺寸。在过去九年的时间里，MAB和MBenes的研究蓬勃开展，不仅有三元相MAB更有四元相MAB进入人们的视野，除了常见的正交MBenes还有六方MBenes被研究人员发现。
图2. MBenes的结构示意图
从表面看来MBenes和MXenes比较相似，均为新型层状二维材料。但是其在组成、结构和性质方面存在一定区别。首先在组成上MXenes是由过渡金属层和C或N层交替，形成层状结构，而MBenes是由过渡金属和B原子层交替。其次，在结构方面，MXenes仅存在六方相一种结构，而MBenes则同时存在正交和六方结构。此外，在性质方面，已有研究证实MBenes具有较高的杨氏模量和各向异性，其刚性甚至超越了MXenes等其他二维材料。并且MXenes因其较易发生氧化，所以一般需要在真空环境中良好保存。而MBenes则具有较强的抗氧化能力，这也使得MBenes在催化、储能等领域具有更长的使用寿命。
图3 MBenes材料在HER中的应用
MBenes材料因比表面积大、稳定性高，在HER应用上潜力巨大。研究人员对Mo2B2和Fe2B2进行氢吸附吉布斯自由能计算，发现Fe2B2的|∆GH*|接近于0，优于Pt和一些二维材料，有一定的催化潜力，但-O端基会降低这两种材料的产氢活性，因此在应用时需减少其表面-O基团。在实验方面，Park等人将少量Pt负载到MoAl1-xB MBene上形成Pt-MoAl1-xB，它在碱性和酸性环境中过电位低，Tafel斜率出色，具有良好的HER反应动力学，且连续运行72小时电位损失可忽略不计，稳定性好。以Pt-MoAl₁₋ₓB与RuO₂组合构建的AEM测试系统，当电池电压分别为1.85 V和2.0 V时，装置能够分别达到0.5 A/cm²和1.0 A/cm²的电流密度，且280小时内性能稳定，显示出其在实际商业化中的应用潜力。
论文信息：
Novel 2D Material of MBenes: Structures, Synthesis, Properties, and Applications in Energy Conversion and Storage
Yuquan Yang, Huichao Wang, Chenjing Wang, Jiajia Liu, Hongjing Wu, Naiyan Liu, Qian Wang*, Yang Shang*, Jinlong Zheng*
Small
DOI: 10.1002/smll.202405870
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