Borophene: Membuka Potensi Boron 2D untuk Baterai dan Sensor Generasi Depan

Disintesis untuk pertama kalinya pada 2015, borophene, lembaran borium kristal 2D yang tipis secara atomik, telah menarik perhatian ilmuwan di seluruh dunia. Dinyatakan sebagai ‘bahan kehajiban baru’ karena fleksibilitas anisotropik unik dan metalitasnya, borophene memiliki potensi untuk merevolusi baterai, sensor, dan kimia katalitik. Artikel ini merangkum sintesis, sifat, dan potensi aplikasi borophene.

Sintesis dan Sifat

Sementara graphene hanya memiliki satu bentuk, borophene adalah polimorf yang dapat memiliki banyak konfigurasi jaringan. Secara teoritis, mungkin ada lebih dari 1000 bentuk borophene, masing-masing dengan karakteristik yang berbeda. Borophene pertama kali disintesis oleh sekelompok ilmuwan internasional dalam kondisi vakum ultra tinggi menggunakan sumber atom bor padat. Substrat perak yang dibersihkan secara atomik digunakan untuk memberikan permukaan yang terdefinisi dengan baik dan iner untuk pertumbuhan borophene. Karakterisasi elektronik in situ mendukung prediksi teoritis bahwa polimorf borophene yang berhasil dibuat adalah metalik dan membentuk struktur datar dengan kerugutan anisotropik. Struktur bergelombangnya nantinya dikaitkan dengan kekakuan lentur borophene yang sangat kecil (momen yang diperlukan untuk menghasilkan rotasi satuan) dan reaktivitasnya terhadap perak. Para penulis menunjukkan bahwa sifat elektronik dan mekanis borophene yang dihasilkan sangat anisotropik.

Sejak penemuan awalnya, banyak studi telah dilakukan mengenai superkonduktivitas, sifat mekanis, elektronik, dan optik dari berbagai polimorf borophene. Borophene kini telah dibuat menggunakan berbagai substrat termasuk emas, tembaga, dan aluminium. Kemajuan signifikan terjadi pada 2019 ketika borophene bebas mandiri disintesis untuk pertama kalinya menggunakan proses yang scalable.

Borophene kuat, fleksibel, dan transparan. Ia adalah konduktor panas dan listrik yang baik, dan juga merupakan superkonduktor. Menurut beberapa prediksi komputasi, borophene mungkin bertransisi ke superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan graphene. Perhitungan prinsip pertama telah menunjukkan bahwa suhu transisi superkonduktivitas mungkin mencapai 24,7K untuk beberapa polimorf borophene, yang jauh lebih tinggi daripada 8,1K yang diprediksi komputasi dan 7,4K yang diamati secara eksperimental pada graphene. Anisotropi dalam sifat mekanis dan listriknya membuatnya dapat diatur, yang merupakan salah satu alasan ilmuwan dan insinyur bersemangat mengenai potensi aplikasinya. Memahami cara mengkarakterisasi dan mengontrol struktur atomik borophene akan sangat penting untuk mengintegrasikan borophene dengan sifat yang diinginkan ke dalam produk.

Meskipun banyak peneliti bersemangat dengan sifat unik borophene, ada hambatan signifikan bagi komersialisasi bahan ini. Pertama, borophene memiliki reaktivitas kimia yangrelatif tinggi dan oleh karena itu dapat sulit dimanipulasi pada suhu lingkungan. Pembuatannya bahkan dalam kuantitas kecil tetap relatif sulit. Seperti banyak material 2D, borophene rentan terhadap oksidasi. Hal ini umumnya dianggap sebagai kekurangan, namun oksidasi dapat digunakan untuk meningkatkan stabilitas struktur dan menyesuaikan sifatnya.

Aplikasi Borophene

Berbagai aplikasi yang memanfaatkan sifat unik borophene sudah mulai muncul, misalnya:

Elektronika fleksibel: Material 2D dapat memungkinkan pengembangan perangkat elektronik hibrida yang dikecilkan untuk memanfaatkan kualitas unggulnya. Penelita percaya bahwa struktur bergelombang unik borophene akan memberikan retakan tinggi jika borophene dipindahkan ke substrat elastomerik. Dengan kata lain, mungkin untuk memproduksi perangkat menggunakan borophene yang dapat dirusak dan kemudian kembali ke bentuk aslinya. Karena borophene konduktif, ia mungkin sangat cocok untuk perangkat elektronik fleksibel. Salah satu tantangan utama yang dihadapi peneliti adalah bahwa seperti banyak material 2D, borophene sangat sensitif terhadap lingkungan eksternal, dan hingga saat ini belum menunjukkan stabilitas dan keandalan jangka panjang saat digunakan dalam perangkat elektronik. Peneliti saat ini mengembangkan teknik citra baru untuk menangkap gerakan atom individu dalam material 2D untuk memahami mode kegagalan potensial dalam perangkat elektronik.

Elektroda baterai: Baterai lithium-ion telah menjadi umum dalam perangkat elektronik karena kepadatan daya tinggi dan umur siklus panjang. Dalam beberapa tahun terakhir, baterai natrium-ion juga menjadi semakin umum karena biaya operasi rendah dan keamanan operasi tinggi. Morfologi unik material 2D memungkinkan difusi ion cepat dan membuatnya menjadi calon yang cocok untuk digunakan sebagai elektroda. Borophene adalah material elektroda yang sangat menjanjikan untuk baterai lithium-ion dan natrium-ion karena kapasitas penyimpanan tinggi yang menghasilkan kepadatan daya dan kinerja elektrokimia yang sangat tinggi. Studi terbaru melaporkan bahwa kapasitas penyimpanan borophene adalah yang tertinggi dari semua material 2D yang telah diselidiki hingga saat ini.

Katalisis: Material 2D menunjukkan janji besar untuk digunakan sebagai katalis karena sifat uniknya, termasuk luas permukaan besar dan status elektronik baru. Borophene dapat digunakan sebagai katalis dalam evolusi hidrogen, reduksi oksigen, dan reduksi elektrokimia karbon dioksida. Reduksi elektrokimia karbon dioksida, khususnya, memiliki potensi besar dalam berkontribusi terhadap upaya untuk menangani perubahan iklim. Namun, kemajuan telah lambat karena kekurangan katalis yang stabil dan efisien.

Penyimpanan hidrogen: Hidrogen memiliki energi per massa tertinggi dari semua bahan bakar. Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian tentang sistem penyimpanan hidrogen menjadi semakin prevalen, didorong oleh permintaan penyimpanan energi dan perkembangan teknologi hidrogen serta sel bahan bakar. Borophene telah menunjukkan kapasitas penyimpanan hidrogen yang mengesankan, sebagian karena massa rendah atom borium. Energi ikatan hidrogen molekuler terhadap lembaran borium lebih kuat dibandingkan dengan graphene.

Sensor gas: Sifat adsorpsi gas borophene membuatnya cocok dalam aplikasi sensor gas untuk berbagai gas termasuk etanol, karbon monoksida, fosgen, dan formaldehida. Material 2D telah menunjukkan potensi signifikan untuk pengembangan sensor gas karena struktur elektronik uniknya dan rasio luas permukaan terhadap volume yang besar.

Kesimpulan

Pengembangan material 2D adalah salah satu perairan paling menarik dalam penelitian material saat ini. Sintesis borophene yang dipandu komputasi, sedikit lebih dari satu dekade setelah sintesis graphene, dapat dianggap sebagai cetak biru untuk pengembangan material 2D baru. Tantangan teknis signifikan masih ada dalam pengembangan borophene, misalnya, peningkatan skala proses manufaktur, namun kualitas yang tak tertandingi dan uniknya kemungkinan besar akan mengungkapkan horizonte baru dalam teknologi elektronika fleksibel, baterai, dan sensor.