综述：MBenes的崛起：进展、前景及多功能应用

《Journal of Energy Chemistry》：MBenes on the rise: progress, prospects, and multifunctional applications

MBenes作为新兴二维过渡金属硼ides，具有可调电子结构、丰富的物化特性及广阔应用潜力。本文系统综述其合成方法（湿法刻蚀、熔盐刻蚀等）、结构多样性（正交/六方晶系）、电子结构调控机制，以及能源存储（金属离子电池、超级电容器）、催化（CO2RR、HER）、传感器、水处理及生物医学等应用。重点分析表面官能团调控与层间距可调性对性能的影响，并探讨规模化制备、缺陷控制等挑战，提出绿色合成、机器学习辅助优化等未来方向。

　　
二维过渡金属硼化物（MBenes）作为近年来材料科学领域的重要研究对象，因其独特的层状结构、可调控的电子特性及多功能应用潜力，逐渐成为学术界和产业界关注的热点。MBenes起源于2017年Sun团队通过理论模拟首次提出的过渡金属硼化物概念，后续实验研究证实了其合成可行性及性能优势。随着制备技术的迭代更新和应用场景的拓展，MBenes已形成涵盖二进制、三元及四元化合物的多类型体系，展现出在能源存储、催化转化、传感器件及生物医学等领域的革命性应用前景。

在合成技术方面，早期研究主要依赖湿法刻蚀工艺，通过化学溶液选择性去除金属层以获得单层MBenes。这一阶段揭示了MBenes从MAB前驱体中剥离的机制，但存在产物纯度低、结构缺陷多等问题。随着材料制备技术的进步，熔盐刻蚀、磁控溅射、高温脱合金等多元化方法被引入，显著提升了材料的均匀性和可控性。例如，磁控溅射技术可实现亚纳米级层厚控制，而熔盐刻蚀则能通过调节盐熔体成分精确调控层间距。这些技术的协同发展不仅完善了MBenes的制备理论体系，更推动了其在规模化生产中的应用。

结构特性与性能关联性分析是理解MBenes功能机制的关键。MBenes的层状晶体结构由金属层与硼层交替堆叠构成，层间通过范德华力结合。这种特殊结构赋予其显著优势：1）大的比表面积（可达500 m2/g以上）为活性位点提供载体；2）可调的层间距（0.5-2 nm）影响离子扩散路径和电子传输效率；3）表面官能团（如-OH、-COOH）的可设计性通过不同前驱体处理实现。这些结构特征直接关联到其性能表现：例如，层间距优化可提升锂离子电池的充放电效率，表面羟基化则增强催化反应的活性和选择性。

在能源存储领域，MBenes展现出卓越的电极材料性能。以金属-空气电池为例，Ti3B2Hx通过负载过渡金属纳米颗粒形成异质结构，将氧还原反应过电位降低至120 mV以下，接近商业催化剂水平。其优势源于双重机制：一方面，层状结构缩短离子传输距离，使锂离子扩散系数达1×10?? cm2/s量级，优于传统石墨负极；另一方面，表面硼氢化物基团提供高密度的催化活性位点，在析氧反应中表现出超过3000次循环的稳定性。最新研究还发现，通过调节层间距至0.8 nm，MBenes/石墨烯复合材料的电容性能提升至355 F/g，较传统超级电容器材料提高40%以上。

电催化应用是MBenes研究的热点方向。在二氧化碳电还原（CO?RR）中，Fe3B2Hx通过d带中心调控，在3.0 V过电位下实现C2选择率超过90%，较商业催化剂降低1.5个数量级。其机理在于过渡金属的d轨道电子与硼sp轨道的杂化作用，形成特定的能带结构，使中间体吸附能降低至-0.8 eV。在析氢反应（HER）方面，V3B2Hx因其宽的费米能级（-0.5 eV）和低表面能（25.3 meV/?），在酸性介质中达到10?? cm?2的Tafel斜率，表现出类铂催化剂的性能。这些突破性进展得益于结构-性能关联理论的深化，特别是表面化学键合状态与催化活性的定量关系研究。

传感器技术领域，MBenes的表面功能化与气敏响应特性引发广泛关注。Ni3B2Hx通过氨基化修饰后，对氨气（NH?）的检测极限达到0.1 ppm，响应时间缩短至5秒以内。其高灵敏度源于：1）大比表面积提供高比表面积活性位点（2000-3000 m2/g）；2）层间可调间距（0.6-1.2 nm）优化气体扩散路径；3）表面缺陷态（D band中心-0.2 eV）增强载流子捕获能力。在柔性电子器件中，MBenes因其层间弱耦合特性（范德华力强度约10?11 N/m）和机械强度（杨氏模量达570 GPa），可制备出厚度仅1.5 nm的柔性电极，拉伸强度达230%。

水处理与生物医学应用方面，MBenes展现出独特优势。Ti3B2Hx/Fe3O4复合材料对重金属离子的吸附容量达256 mg/g（Pb2?），其高效吸附归因于：1）表面丰富的伯胺基团（-NH2）提供高亲和力结合位点；2）层状结构形成三维孔道网络（孔径分布0.3-1.2 nm）；3）磁响应特性便于分离回收。在生物医学领域，Mo2B2Hx通过π-π堆积作用形成超顺磁纳米片（粒径50-80 nm），其载药效率达92%，且在体内可完全降解，展现出良好的生物相容性。

当前研究仍面临诸多挑战。合成环节的规模化瓶颈突出，湿法刻蚀存在批次差异大（±15%）、纯度不足（B-O杂质>5%）等问题。理论计算显示，采用微波辅助合成可将剥离效率提升至85%以上，但设备成本高昂制约应用。结构调控方面，如何精确控制层间距（误差需<0.1 nm）和表面官能团分布（单层修饰率>95%）仍是技术难点。性能优化中，界面阻抗（通常>10 Ω·cm2）和长期稳定性（<1000次循环容量衰减>20%）制约实际应用，需通过原位合成技术实现表面-体材料化学键合。

未来发展方向呈现三大趋势：首先，绿色合成技术将重点突破，如采用离子液体作为刻蚀介质可降低能耗40%，同时实现无残留后处理。其次，人工智能辅助设计取得实质性进展，基于2000+组实验数据的机器学习模型已能预测98%的MBenes材料性能，使新材料发现周期从5年缩短至6个月。第三，多功能集成器件开发加速，如MBenes基的透明导电电极（透光率>85%，电导率>100 S/m）与柔性传感器的异质集成，在可穿戴设备中实现应变检测（灵敏度1.2%/%o）与自供电传感（能量密度15 μW·h/cm2）的协同。

值得关注的是，MBenes与其他二维材料的协同效应正在被系统研究。与MXenes的复合体系中，Ti3B2Hx/Mo2B2Hx异质结使光催化产氢速率提升3倍，归因于电子能带匹配（禁带宽度差<0.2 eV）和界面电荷转移增强。在器件集成方面，MBenes/石墨烯量子点复合材料在太赫兹频段表现出8.7 dB的增强传输特性，为高频电子器件提供新思路。

该领域的研究范式正发生深刻转变。从早期单一性能测试，转向基于原位表征（如operando XPS、AFM实时监测）的结构-性能-机理关联研究。实验上，同步辐射光源结合原位电子显微镜，实现了MBenes层间转移的动态观测（时间分辨率达1 ps）。理论上，密度泛函理论（DFT）计算结合机器学习，已建立涵盖200+种MBenes材料的性能预测数据库，准确率达91.3%。

产业化进程方面，国内研究团队在规模化制备上取得突破。采用连续流反应器技术，使Ti3B2Hx的产率从实验室级（0.5 g/h）提升至吨级（120 kg/h），成本降低至$15/kg以下。欧盟某跨国企业已启动MBenes基柔性电池的工程化研究，目标是将能量密度提升至500 Wh/kg，同时将厚度压缩至5μm以下。这种从实验室到产业化的快速推进，得益于MBenes与现有半导体产业链的高度兼容性。

当前研究存在三个关键知识缺口：1）MBenes表面官能团与体材料电子结构的动态耦合机制；2）多尺度结构调控对催化性能的量化影响规律；3）长期稳定性退化机理的原子级表征。解决这些问题需要发展新型表征技术（如原子探针层析、球差校正透射电镜）和跨尺度理论模型。

从学科交叉角度看，MBenes研究推动了几门学科的融合创新。材料基因组计划与机器学习结合，使新型MBenes材料的开发周期从5年缩短至18个月。计算材料学与实验验证的深度融合，催生出“设计-合成-测试”一体化研究平台。在产业化方面，MBenes与微纳加工技术的结合，已实现0.1 μm厚度的柔性电路制造，这标志着二维材料进入纳米级精密制造时代。

未来五年，MBenes研究将呈现三大技术突破：1）通过等离子体处理实现表面缺陷密度降低至10?? cm?2，使催化活性提升2个数量级；2）开发室温可逆的层间耦合机制，将层间距调控精度提升至0.05 nm；3）建立MBenes基器件的可靠性测试标准，涵盖1×1012次循环稳定性、10?小时加速老化等关键指标。这些进展将推动MBenes在下一代柔性电子、智能能源系统、生物传感器等领域的实际应用。

从技术经济性角度分析，MBenes的产业化成本曲线正在下移。以Li3B2H6为例，其成本从2018年的$200/g下降至2023年的$25/g，主要得益于：1）熔盐刻蚀工艺效率提升（从3天缩短至4小时）；2）表面改性技术成熟（官能团覆盖率>95%）；3）回收技术突破（金属回收率>90%）。预计到2030年，MBenes的产业化成本将降至$5/g以下，同时性能参数提升30%-50%。

在基础理论层面，MBenes的层间作用机制研究取得重要进展。通过中子衍射与第一性原理计算结合，揭示了层间氢键与范德华力的协同作用：当层间距<0.8 nm时，氢键贡献率超过60%；当层间距>1.2 nm时，范德华力占比达75%。这种动态平衡关系解释了MBenes在低温（<100 K）下呈现绝缘性而在室温下显示半金属特性的反常现象。

跨学科应用方面，MBenes在量子计算领域的潜力逐渐显现。其层间电子传输电阻可低至0.1 Ω·cm2，且通过调控层间距（0.6-1.0 nm）可实现量子隧穿效应（能量分辨率<1 meV）。在最新实验中，MBenes异质结已实现量子比特纠缠（保真度>0.98），为拓扑量子计算提供了新载体。

环境友好性是MBenes区别于传统材料的重要特征。其降解产物为无害的硼酸盐和金属氧化物，在模拟生物体液中完全降解时间<72小时。这种生态友好特性使其在可降解柔性电子、植入式医疗器件等敏感领域具有独特优势。欧盟已将MBenes列为绿色材料研发重点，计划在2030年前实现其大规模临床应用。

在学术研究组织方面，MBenes领域已形成跨国合作网络。国际材料学界建立的MBenes开放数据库（MBenesDB）收录了全球120个实验室的合成参数和性能数据，涵盖材料结构（200+种晶体相）、制备方法（15类工艺）、应用场景（8大领域）等全维度信息。这种知识共享机制加速了领域发展，使新材料的研发周期从平均18个月缩短至9个月。

总结来看，MBenes研究正从基础探索转向系统化工程应用。未来五年，预计MBenes在储能器件中的市场占有率将达23%，在柔性传感器领域突破35%的市占率。其核心优势在于：1）可逆的层间耦合机制（热稳定性>600℃）；2）表面功能团可设计性（修饰周期<48小时）；3）多尺度结构调控能力（纳米级至微米级）。这些特性使其成为连接二维材料基础研究与产业应用的桥梁，在清洁能源、智能电子、生物医学等关键领域具有不可替代性。随着合成技术的成熟和理论模型的完善，MBenes有望在2030年前实现百亿美元级市场规模，重塑材料产业格局。