孙志梅教授，周健研究员，JMCA综述：MBenes：进展，挑战与未来

【文章信息】

MBenes：进展，挑战与未来

第一作者：张毕堃

通讯作者：周健*，孙志梅*

单位：北京航空航天大学大学

【研究背景】

过去十年中，人们见证了二维过渡金属碳/氮化物MXenes的兴起，同时人们也一直尝试将MXenes拓展至硼化物。2017年，孙志梅团队首次报道了一类结构与MXenes类似的新型二维过渡金属硼化物，并将其命名为MBenes。在过去的五年里，MBenes在纳米材料、物理和化学等领域得到了越来越多的关注，尤其是在能量存储和电催化应用方面。可以预见，MBenes具有广阔的发展前景。尽管如此，对MBenes的研究仍处于起步阶段，许多性质和应用仍有待探索。现阶段关于MBenes的认识存在一些概念上的混淆，目前的研究也存在一些不足之处。因此，本综述旨在总结MBenes的发展现状，展示这一新兴二维材料，并对其现有问题和未来发展进行讨论和展望。

【文章简介】

近日，来自北京航空航天大学的孙志梅教授与周健研究员在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“MBenes: Progress, Challenges and Future”的综述文章。该综述文章首先对二维过渡金属硼化物进行了科学的分类，并提出了MBenes的明确定义；然后总结了MBenes在合成方法、性质以及储能和电催化方面的应用进展；最后讨论了实验和理论研究中存在的问题，并对MBenes未来的发展方向进行了展望。

图片摘要：MBenes的合成方法、电子/磁性/力学性质以及储能和催化应用

【本文要点】

要点一：MBenes的定义及分类

2017年，MBenes首次被作为MXenes的类似物被报道（J. Mater. Chem. A, 2017,5, 23530-23535）。根据MBenes的制备方式和结构特点，本综述总结了MBenes的共同特点：

1. MBenes是通过选择性去除其三维母相（MAB相）中的A原子层得到的。

2. MBenes具有层状三明治结构，其中过渡金属原子层和硼原子层交替堆叠，最外层为过渡金属。

3. MBenes具有统一的化学式：MnB2n-2 (n=2-4)。

在此基础上，本综述进而提出了MBenes的定义：MBenes是一类由MAB相得到的具有层状三明治结构的二维过渡金属硼化物，化学式为MnB2n-2 (n=2-4)。

MBenes具有独特的制备方法和晶体结构，这是区别于其他二维过渡金属硼化物（如MgB2、Ti2B、LiB等）的主要特点。目前，被报道的MBenes有三种不同的原子层厚度：M2B2，M3B4和M4B6，以及正交晶系和六方晶系两种结构，分别被称为orth-MBenes和hex-MBenes。

图1. 目前已报道的MBenes种类以及MBenes的原子结构示意图

要点二：MBenes的制备方法

截至目前，实验上已制备出3种M2B2型MBenes。其中，orth-Cr2B2 和orth-Mo2B2是在常温下通过刻蚀法制备出来的，使用的刻蚀剂/母相分别为稀盐酸溶液/正交Cr2AlB2和NaOH溶液/正交MoAlB；而orth-Ti2B2的制备方法为高温去合金化法，是在高温下蒸发掉六方Ti2InB2中的In元素得到的 。除此之外，实验上还得到空位有序的MBene：Mo4/3B2，其方法为浓HF刻蚀法，母相为四元六方MAB相：(Mo2/3Y1/3)2AlB2。总体而言，目前MBenes在制备方面的相关工作较少，亟需更多的实验研究为本领域的发展奠定基础。

要点三：MBenes的性质及应用

表面裸露的MBenes全部为金属性体系，这使得其作为电极材料和电催化材料具有天然的优势。当表面覆盖官能团后，部分体系会转变为半导体体系（Sc2B2O2），和准金属体系（Sc2B2F2, Sc2B2(OH)2, Zr2B2O2和Hf2B2O2）。相较于MXenes，MBenes中包含了更多种类的后过渡金属，其中含Cr、Mn、Fe的orth-MBenes都具有本征的铁磁性，并且它们在发生表面官能化后会产生不同的磁性基态转变，这使得它们有望在电子器件领域展现应用价值。

现阶段，MBenes的应用研究主要集中在储能和催化领域。在储能方面，MBenes可用作Li离子电池的负极材料，例如hex-Y2B2在容量、Li离子迁移势垒和开路电压方面都展现出优于传统石墨电极以及MXenes电极的性能。此外，MBenes还可应用在Na/Mg离子电池以及Li-S电池中，如orth-V­2B2、Cr2B2和Mo2B2等。在催化方面，多种MBenes作为HER、OER、ORR、CO2RR、NRR、NORR等反应的电催化剂被广泛地研究，性能超过传统的贵金属催化剂。此外，orth-Cr2B2和Mo2B2还可以对N2和CO2合成尿素进行热催化。

要点四：展望

当前对MBenes的研究仍处于初级阶段，尤其是在实验制备方面仍需要更广泛的探索。由于MBenes与MXenes具有非常相似的结构与组成，因此可以将MXenes的成熟的制备方法作为借鉴，同时还需要对母相MAB相进行更加深入研究。在理论计算方面，MBenes的电子和磁性性质十分值得关注，同时也需要更加严谨地对过渡金属的d电子轨道进行处理；在储能和催化性质的计算中，应当尽可能的考虑真实的体系和环境，如表面官能团、空位、溶剂效应和电位影响等。除此之外，MBenes的正交-六方相转变也是未来研究的潜在方向之一，它将有助于理解MBenes合成的微观机理，并将MBenes推向新的应用领域。

总之，MBenes作为一类新兴的二维材料已经取得了一定的研究成果和关注，同时还有更多性质和应用有待进一步挖掘。希望本综述能够帮助更多的研究人员认识和关注这一新型二维材料，共同促进MBenes的发展。

【通讯作者简介】

孙志梅教授简介：

孙志梅教授，北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，教育部长江学者特聘教授，博士生导师。孙教授于2002年在中国科学院金属研究所获得材料学博士学位，2002-2007年在德国亚琛工业大学和瑞典乌普萨拉大学进行研究工作，2007-2013年任职于厦门大学，2013年至今任职于北京航空航天大学。孙教授的研究方向包括低维磁性材料、相变存储材料以及二维材料性质的实验和计算模拟研究等。发表SCI论文250余篇，包括J. Am. Chem. Soc.，Phys. Rev. Lett.，PNAS，Adv. Funct. Mater.，J. Mater. Chem. A等国际知名期刊。

周健研究员简介：

周健研究员，北京航空航天大学材料科学与工程学院研究员，博士生导师。周健研究员于2003年在中国科学院金属研究所获得博士学位，先后在德国亚琛工业大学、瑞典皇家工学院、厦门大学和北京航空航天大学进行研究工作。周健研究员的研究方向包括金属间化合物、热电材料和二维过渡金属碳/硼化物。发表SCI论文170余篇。

【第一作者介绍】

张毕堃，博士，2022年毕业于北京航空航天大学材料学院，师从孙志梅教授，随后在新加坡国立大学进行研究工作。研究方向为纳米材料催化性质的第一性原理计算。在J. Mater. Chem. A，Appl. Surf. Sci.，Mater. Horiz.，Nature Catal. 期刊上发表多篇论文，被引用141次。

【文章链接】

MBenes: Progress, Challenges and Future

https://doi.org/10.1039/D2TA03482D