近三十年來，科學家們一直致力于發展新的方法合成新的碳的同素異形體，探索其新的性能，并先后發現了富勒烯、碳納米管和石墨烯等新的碳的同素異形體，并成為了國際學術研究的前沿和熱點。

碳家族發展歷程

碳具有sp³、sp²和sp種雜化態，通過不同雜化態可以形成多種碳的同素異形體，如通過sp³雜化可以形成金剛石，通過sp³與 sp²雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等，如下圖所示。

a金剛石 b石墨 c藍絲黛爾石 d、e、f足球烯 g無定形碳 h碳納米管

1996年化學諾貝爾獎被授予了三位富勒烯的發現者，2010年諾貝爾物理獎被授予了在二維碳材料石墨烯方面取得開創性的研究安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，使得碳材料的研究進入了一個新的發展階段，同時也激起了科學家們對新型碳的同素異形體的研究熱忱和興趣。

一、石墨炔的發現

1968 年著名理論家Baughman通過計算認為石墨炔結構可穩定存在，國際上的著名功能分子和高分子研究組都開始了相關的研究，但是并沒有獲得成功。

直至 2010 年，李玉良課題組在石墨炔的制備方面取得了重要突破，成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積(3.61 cm²) 具有二維結構的高分子石墨炔( graphdiyne) 薄膜，并且第一次被李玉良等研究人員用漢語命名為“石墨炔”。

石墨炔

研究結果發表之后，被Materials Today 以“Flat-packed carbon”為題指出：“合成、分離新的碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點，中國科學家首次合成了新的碳同素異形體——石墨炔。中國科學家研究表明石墨炔優良的性能可與硅媲美，有可能成為未來電子器件的關鍵材料……”。

Nature China報道：“中國科學院李玉良等首次合成二維結構石墨炔，石墨炔具有和已知碳同素異形體不同的結構和性質，石墨炔將可能成為電子器件領域最重要的材料。” 

石墨炔

著名雜志NanoTech 2012年發布年度報告回顧了發現的幾類重要材料，指出石墨炔的發現提升了對碳材料研究的強烈興趣。并指出歐盟已將石墨炔等研究列入下一個框架計劃，美、英等國也將其列入政府計劃，并將石墨炔列入未來最具潛力和商業價值的材料。

世界兩大著名的商業信息公司Research and Markets公司和日商環球訊息有限公司評述了2019年前全球納米技術和材料，將石墨炔列入最具潛力的納米材料之一。該研究成果還被科技部作為2010年重大基礎研究進展列入2010年中國科學技術發展報告中。2015年被評為中國科學院發布的“十二五”25項重大科技成果之一。

二、石墨炔的分子結構

石墨炔sp與sp²雜化態的成鍵方式決定了它的獨特分子構型，石墨炔GDY是目前為止唯一在實驗室制備得到的。

單炔鍵、雙炔鍵等石墨炔結構

從結構上，石墨炔可以被看作是石墨烯中三分之一的C―C中插入兩個C≡C（二炔或乙炔）鍵，這使得這種石墨炔中不僅具備苯環，而且還有由苯環、C≡C鍵構成的具有18個碳原子的大三角形環。額外的炔鍵單元使這種石墨炔的孔徑增加到大約0.25nm。

各種石墨炔分子結構

sp和sp²雜化的炔鍵和苯環，構成了單原子層二維平面構型的石墨炔分子(如圖a)；在無限的平面擴展延伸中，與石墨烯相似，為保持構型的穩定，石墨炔的單層二維平面構型會形成一定的褶皺(如圖b)；二維平面石墨炔分子通過范德華力和π－π相互作用堆疊，形成層狀結構；18個C原子的大三角形環在層狀結構中構成三維孔道結構。平面的sp²和sp雜化結構賦予石墨炔很高的π共軛性、均勻分散的孔道構型以及可調控的電子結構性能。

石墨烯GDY結構

因此，總體來說，石墨炔既具備類似于石墨烯的單層平面二維材料的特點，同時又具有三維多孔材料的特征，這種剛性平面結構、均勻亞納米級孔結構等獨特性質，適合用于分子和離子的存儲等。

三、石墨炔的最新研究進展

自2010年被合成以來，經過近8年的發展，石墨炔的基礎和應用研究已取得了重要成果，并迅速形成了一個新領域。本文簡要介紹了我國部分科學家在相關領域的研究成果，文章將展示石墨炔的理論研究，實驗合成、修飾、結構表征、性質研究與應用方面的最新進展。

在合成方法方面，劉榮等^[1]介紹了利用化學氣相沉積低溫制備超薄（單層）石墨炔的方法。以六乙炔基苯為源，銀箔為生長基底，在金屬基底的催化作用下通過分子間末端炔基的偶聯反應在基底上直接生長石墨炔。通過檢測拉曼光譜中 C≡C 伸縮振動模峰位的變化，驗證了生長過程中單體向偶聯產物的轉變。由于具有π共軛結構，生長的薄膜的導電性為6.72 S cm^-1，并且可作為淬滅分子熒光、增強分子拉曼光譜的。崔曉莉等^[2]以碳化鈣和三溴苯為原料，通過機械化學方法合成了氫取代石墨單炔，發現其為p型半導體，帶隙為2.30 eV，在在催化產氧和光催化方面具有應用潛力。

在化學修飾及功能化方面，石墨炔中炔鍵單元的高活性為其化學修飾與摻雜提供了良好的平臺，李玉良等^[3]介紹了石墨炔的非金屬雜原子摻雜、金屬原子修飾以及表面改性，并深入探討摻雜與衍生化對石墨炔材料的電子性質的影響及其對光電化學催化性能的協同增強。林源為等^[4]對石墨烯表界面進行了共價或非共價化學修飾,在一定程度上打開了石墨烯的帶隙,并發展了具有傳感功能的石墨烯器件，還制備了基于石墨烯的納米電極，發展了新一代分子電子器件的普適性制備方法,實現了單分子器件的功能化。

在結構表征方面，盧秀利等^[5]總結了總結了近年來石墨炔材料在表征方法，闡述了石墨雙炔形貌、厚度、晶體結構以及碳的成鍵形式的方法。研究表明，石墨炔材料的形貌、厚度以及表面狀態等微觀特征通常采用SEM，TEM和AFM進行表征。石墨炔的晶體結構可以利用XRD和HR-TEM進行表征，在這方面相關研究并不多，主要是高結晶性石墨炔材料難以合成，這也是石墨炔研究領域中亟需解決的問題之一。石墨炔的共軛結構和碳的成鍵方式可以通過多種手段進行研究。目前發展的定性和定量手段主要有Raman光譜、XPS、FT-IR、13C-NMR和UV-Vis吸收光譜等，但是目前這些表征手段還不夠完善，缺乏精準且系統的表征方法。

在具體應用方面，青島能源所研究團隊第一次發現碳材料可以作為主體材料用于太陽能電池，為鈣鈦礦電池器件研究工作提供了全新思路，此外，青島能源所還研究了石墨炔在高效儲鈉電極中的應用；神祥艷等^[6]介紹了近年來石墨炔在儲能方面的理論分析和實驗進展，通過研究鋰/鈉在單層、多層石墨炔上的遷移率和存儲,理論分析石墨炔基電池具有很好的儲鋰儲鈉性能；黃長水等^[7]研究了石墨炔作為非金屬高活性催化劑替代貴金屬在光催化等方面應用,以及在太陽能電池的空穴傳輸層和電子傳輸層方面的應用，展現了石墨炔在能源方面獨特的應用價值；另外，還有一些學者研究了石墨炔獨特結構對電化學儲鋰、儲鈉等行為的影響。

石墨炔自成功合成以來引起了研究者極大的興趣和關注。目前為止，石墨炔的基礎和應用研究方興未艾，顯示了巨大廣闊的空間。石墨炔的可控制備方法、系統表征方法、可控結構等仍然需要不斷去探索。另外，石墨炔在電子、能源、催化、信息技術等方面的研究在未來五年將展示無限的創新空間。