碳材料家族新星——石墨炔的性质、应用与展望︱岭航未来

更新时间：18:00 2025-05-26 HKT
发布时间：18:00 2025-05-26 HKT

近年来，环境和能源议题引起关注，各国各界都积极寻求应对良策，加快先进的洁净新能源技术研发及应用，以实现社会可持续发展。其中对各类能源的开发是学界的关注重点，笔者多年来从事碳材料相关研究，重点关注自2010年便引起热烈讨论的石墨炔——一种新的全碳纳米结构材料。虽然这一材料具备独特的结构和性质，且在多个领域展现出惊人的应用潜力，但受限于制造工艺和种类，导致其尚未满足量产的条件，以及未能在社会普及应用。笔者与研究团队经过多年努力，近期成功制造一系列石墨炔材料，成为石墨炔发展的一大突破。

独特结构与性质

石墨炔（Graphdiyne，GDY）是一种新兴的二维（2D）碳材料。

石墨炔（Graphdiyne，GDY）是一种新兴的二维（2D）碳材料，以其独特的碳原子结构而著称。不同于石墨烯由碳原子构成蜂巢状结构，石墨炔的结构特点是在苯环之间加入特殊的化学键，使其在结构上更复杂且具孔隙。此特性使石墨炔具有优异的电荷传输性能、更强的吸附能力与较高的化学稳定性，非常适合应用于电子元件和能源相关装置，也具备在不同领域应用的巨大潜力。

由于石墨炔在电子性质、化学性质与结构特性方面都具备独特性，科学家经常将它与其他二维材料，如被外界称为「神奇材料」的石墨烯、过渡金属二硫属化物（TMDs）、MXenes及六方氮化硼（h-BN）等进行比较。和石墨烯不同，石墨炔本身就有适合用于电子及光电子设备的条件，毋须额外进行改性能，这使其更加灵活。此外，石墨炔可以进行多种化学改造，意味着我们可以精确地调整它的电子、光学与催化性能。

虽然有其他的二维材料在化学性质上更具稳定性，但石墨炔的孔隙结构能够提供更快的离子传输和更多的反应位点，使其在能源储存和电催化中更具潜力。它的柔性结构也让其适合于制造可弯曲的电子产品，在前沿应用中较传统的二维材料更有优势。

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潜在应用领域广

石墨炔因其特殊性能，在多个领域都展现出巨大潜力，包括能源储存、电催化（使电极、电解质介面上的电荷转移加速反应的一种催化作用）、电子元件及生物医学领域。在能源储存与转换方面，石墨炔的多孔结构与高导电性能提升储电容量和稳定性，可以作为理想的锂离子电池、钠离子电池及超级电容器材料。此外，石墨炔也展现出较强的催化性能，有望成为燃料电池中的贵金属。

以在日常生活中普及使用于手机、电子设备和电动车的锂离子电池为例，它看似非常环保，但其生产过程会排放大量碳和污染物，而废弃的锂电池亦会造成环境污染的问题。因此，在环境保护方面，石墨炔扮演着重要角色。它的催化特性和强大的吸附能力，能帮助将污染物转化为无害物质；以石墨炔为基础的薄膜材料可以提高过滤效率，对于水净化及海水淡化极为有效。

在未来的电子产品中，石墨炔有望取代传统的矽材料，尤其是在可穿戴设备和柔性、可折叠显示器等方面。同时，石墨炔良好的生物相容性亦有潜力应用于药物递送与生物传感，能帮助检测生物分子，并在医疗和环境监测中发挥作用。

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