碳材料家族新星——石墨炔的性質、應用與展望︱嶺航未來

更新時間：18:00 2025-05-26 HKT
發佈時間：18:00 2025-05-26 HKT

近年來，環境和能源議題引起關注，各國各界都積極尋求應對良策，加快先進的潔淨新能源技術研發及應用，以實現社會可持續發展。其中對各類能源的開發是學界的關注重點，筆者多年來從事碳材料相關研究，重點關注自2010年便引起熱烈討論的石墨炔——一種新的全碳納米結構材料。雖然這一材料具備獨特的結構和性質，且在多個領域展現出驚人的應用潛力，但受限於製造工藝和種類，導致其尚未滿足量產的條件，以及未能在社會普及應用。筆者與研究團隊經過多年努力，近期成功製造一系列石墨炔材料，成為石墨炔發展的一大突破。

獨特結構與性質

石墨炔（Graphdiyne，GDY）是一種新興的二維（2D）碳材料。

石墨炔（Graphdiyne，GDY）是一種新興的二維（2D）碳材料，以其獨特的碳原子結構而著稱。不同於石墨烯由碳原子構成蜂巢狀結構，石墨炔的結構特點是在苯環之間加入特殊的化學鍵，使其在結構上更複雜且具孔隙。此特性使石墨炔具有優異的電荷傳輸性能、更強的吸附能力與較高的化學穩定性，非常適合應用於電子元件和能源相關裝置，也具備在不同領域應用的巨大潛力。

由於石墨炔在電子性質、化學性質與結構特性方面都具備獨特性，科學家經常將它與其他二維材料，如被外界稱為「神奇材料」的石墨烯、過渡金屬二硫屬化物（TMDs）、MXenes及六方氮化硼（h-BN）等進行比較。和石墨烯不同，石墨炔本身就有適合用於電子及光電子設備的條件，毋須額外進行改性能，這使其更加靈活。此外，石墨炔可以進行多種化學改造，意味着我們可以精確地調整它的電子、光學與催化性能。

雖然有其他的二維材料在化學性質上更具穩定性，但石墨炔的孔隙結構能夠提供更快的離子傳輸和更多的反應位點，使其在能源儲存和電催化中更具潛力。它的柔性結構也讓其適合於製造可彎曲的電子產品，在前沿應用中較傳統的二維材料更有優勢。

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潛在應用領域廣

石墨炔因其特殊性能，在多個領域都展現出巨大潛力，包括能源儲存、電催化（使電極、電解質介面上的電荷轉移加速反應的一種催化作用）、電子元件及生物醫學領域。在能源儲存與轉換方面，石墨炔的多孔結構與高導電性能提升儲電容量和穩定性，可以作為理想的鋰離子電池、鈉離子電池及超級電容器材料。此外，石墨炔也展現出較強的催化性能，有望成為燃料電池中的貴金屬。

以在日常生活中普及使用於手機、電子設備和電動車的鋰離子電池為例，它看似非常環保，但其生產過程會排放大量碳和污染物，而廢棄的鋰電池亦會造成環境污染的問題。因此，在環境保護方面，石墨炔扮演着重要角色。它的催化特性和強大的吸附能力，能幫助將污染物轉化為無害物質；以石墨炔為基礎的薄膜材料可以提高過濾效率，對於水淨化及海水淡化極為有效。

在未來的電子產品中，石墨炔有望取代傳統的矽材料，尤其是在可穿戴設備和柔性、可摺疊顯示器等方面。同時，石墨炔良好的生物相容性亦有潛力應用於藥物遞送與生物傳感，能幫助檢測生物分子，並在醫療和環境監測中發揮作用。

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