三联烯的分子轨道（氢化硼烯的多态性）

硼烯是由硼原子构成的单原子层晶体，是除石墨烯之外仅有的能以纯平面构象稳定存在的单质二维材料。硼烯是迄今报道的最薄的金属材料，具有优异的力学性质和独特的结构各向异性，已迅速成为二维材料领域新的研究前沿。硼烯研究的主要挑战在于它的大面积可控合成和转移，以及如何提升稳定性以构筑高耐受性器件。最近，美国西北大学的Hersam课题组利用分子束外延技术在银(111)面上合成硼烯，并将制备好的硼烯置于原子氢的氛围中，在超高真空环境下获得结构多样的氢化硼烯，其中一种同时具有双中心双电子和三中心双电子硼-氢键的化硼烯结构在实验中被大面积观察到。研究发现氢化硼烯具有比硼烯更高的抗氧化性（Science, 2021, 371, 1143，点击阅读详细），有利于推动硼烯的实际应用。然而，实验发现氢化硼烯具有丰富多样的结构相，但相应的原子结构一直无法解析。

近日，南京航空航天大学的张助华教授和郭万林院士团队与莱斯大学Yakobson教授合作，采用结构搜索方法并结合第一性原理计算，解析出多种高度稳定的氢化硼烯结构。研究显示，氢化硼烯的结构对氢分压数值具有选择性，在相对较低的氢分压下，优先形成具有双中心双电子硼-氢键的氢化硼烯结构，氢在硼烯表面呈菱形分布；而在更大的氢分压范围内，同时具有双中心双电子和三中心双电子硼-氢键的结构能量最优，氢在硼烯表面呈矩形分布。作者揭示了氢化硼烯的抗氧化机理，发现结构中的氢原子通过施加空间位阻作用阻碍硼烯与氧分子的反应，使得氢化硼烯的氧化能垒提高了约1.1电子伏。他们解析的结构从晶格常数、模拟的STM图像以及合成所需的氢气条件等方面均与实验情况较好吻合。此外，他们的理论结果还澄清了实验中观察到的氢化超晶格结构。

图1. (a) 银基底上氢化硼烯的结构示意图。(b) 发表论文的封面图。

该项成果首次解析了实验实现的多种氢化硼烯结构，为基于其它元素的硼烯功能化提供了有力指导，更为氢化硼烯进一步的基础和应用研究做好了铺垫。该成果以封面文章发表于The Journal of Physical Chemistry Letters 上，第一作者为南京航空航天大学许莹副研究员，通讯作者为张助华教授，共同作者还包括张培琨、轩啸宇、薛敏珉博士、郭万林院士和Yakobson教授。

Borophane Polymorphs

Ying Xu, Peikun Zhang, Xiaoyu Xuan, Minmin Xue, Zhuhua Zhang*, Wanlin Guo, and Boris I. Yakobson

J. Phys. Chem. Lett., 2022, 13, 1107–1113, DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c03827

导师介绍

张助华

https://www.x-mol.com/university/faculty/48489

郭万林

https://www.x-mol.com/university/faculty/37831

Yakobson

https://www.x-mol.com/university/faculty/1554