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石墨炔是一种新型的二维层状多孔结构的碳同素异形体，由sp-和sp2-杂化碳原子组成。石墨炔拥有独特的拓扑和电子结构，高电荷迁移率和优异的电子输运性能，这些优异的性能使其在各种应用领域中具有广阔的前景。在石墨炔家族中，γ-石墨二炔(GDY)是第一个被成功制备的成员，因此也最受关注。上海大学理学院叶代新特聘副研究员、赵宏滨教授和张久俊院士作为通讯联系人在《Journal of Materials Chemistry A》上，以“Progress in energy related graphynes-based materials: advanced synthesis, functional mechanisms and applications”为题撰写了综述。总结了近年来石墨炔在合成策略、功能机理和储能及能量转换领域的应用等方面的研究进展；分析了阻碍其大规模制备以及在商业化应用方面的挑战；最后，根据石墨炔的研究现状和发展趋势，提出了应对这些挑战可能的研究方向。希望通过对这篇综述的介绍，帮助读者们加深对石墨炔及石墨炔基材料的认识。
碳材料是在能源、制造、生物医药等领域应用最广泛的材料之一。自从第一个非天然碳同素异形体——富勒烯被合成出来，新型碳材料的开发和研究引起了科研人员极大的兴趣，之后，各种碳材料相继被人工合成出来。这些碳材料由于其独特的电子结构而具有非凡的光学、电子、热学、化学和机械性能。例如，石墨烯是一种二维(2D)碳纳米材料，由sp2-杂化轨道的碳原子组成，具有六边形蜂窝状晶格。目前，石墨烯基材料可以实现大规模制备，许多石墨烯相关产品已应用于水和空气的净化、柔性电子和可穿戴领域、工业表面抗腐蚀、新能源材料等领域。与之相比，石墨炔的发展还处在幼年期，具有很大的成长空间。
石墨炔是sp-和sp2-杂化的全碳网络结构，由苯环与乙炔键结合而成。与石墨烯相比，石墨炔的碳原子可以形成更大的孔隙，其电子结构也更为丰富，可以合成各种电子构型和聚集结构的石墨炔。通过改变C=C和C≡C键的连接顺序，可以形成不同电子构型的石墨炔，如: α-, β-, δ-石墨炔等等。然而，g-石墨炔仍然是主要研究对象，因为它们首先被合成出来并广泛研究，而且制备技术相对成熟。作者在前言部分，还对石墨炔的合成机理进行了阐述，并对其在能源储存和转化应用方面的功能机理进行了深刻地剖析。
图1展示了各种已有的碳材料的结构图。
图3a展示的是原始石墨炔中碳的类型，C1和C2组成的混合网络结构使石墨炔具有可媲美甚至超越石墨烯的性能，如分布均匀的大孔隙以及良好的化学和机械稳定性等。图3b展示的是以N元素掺杂为例，在石墨炔中可能发生取代碳的位置。其中sp-N掺杂要比sp2-N掺杂的效率要高，而且还是掺杂石墨炔性能提升的重要原因。
Figure 3. (a) Types of carbons in pristine GDY (red: αC1; blue: βC1; black: C2). (b) The position distribution of different N doping in GDY.
图4 (a) GDY电催化剂在高活性ORR过程中的作用和面内电子转移的示意图。(b) GDY在电池和超级电容器的应用中离子快速转移的示意图。(c) GDY和N-GDY在Li+存储中吸附位点的对比图。(d) Li在PM-GDY中能吸附的位置，以及优化的几何图形Li18-C22N2H4复合物从顶部和横截面视图。
Figure 4. (a) Schematic diagram of the role of GDY electrocatalyst in the high ORR activity and intra-plane electron transfer. (b) Schematic diagram of the rapid transfer of ions at GDY in batteries and supercapacitors. (c) Schematic diagram of Li+ storage in GDY and N-GDY. (For Figure a-c, Gray: C; pink: electrons; green: ions; blue: Li+; red: N; orange: H) (d) The adsorbable position of Li in PM-GDY (①~⑥), and the geometries of optimized Li18-C22N2H4 complexes (⑦) from top and cross-section view. (d) Reproduced with permission. Copyright 2018, American Chemical Society.
在应用方面，讲述了石墨炔及石墨炔基材料在光催化和电催化等能源转化领域的应用以及锂/钠离子电池和超级电容器等储能领域的应用，并分析了石墨炔材料的工作机理、优势和潜力。
作者基于近年来石墨炔及石墨炔基材料合成及形貌等方面的研究成果，对其在催化和储能等能源领域的应用进行了综述。由于其面内孔隙和乙炔键的存在，石墨炔能够将单个金属原子固定在其表面，其他杂原子容易掺杂，形成催化的活性位点。在能源存储和转化过程中，石墨炔的平面内孔隙不仅为金属原子提供了大量的存储位置，而且为离子向石墨炔平面的垂直方向的快速扩散提供了运输通道。石墨炔基材料在这些领域的优异表现说明其有潜力超越甚至取代其他碳材料。
石墨烯基材料尚处于初级的探索阶段，进一步的研究和应用还面临着许多挑战。首先，制造大规模单层石墨炔仍然是一个挑战；第二，其他电子构型的石墨炔需要继续开发研究；第三，对石墨炔的生长机制处于理论推测阶段，缺乏实验证实。
机遇总是伴随挑战，石墨炔也是未来可期。虽然石墨炔的研究还处于初级阶段，但有许多研究方向值得研究者们多加关注。首先，进一步开发和优化合成策略，以获得大批量、高质量的石墨炔；其次，石墨炔自身的物理化学性质需要进一步研究；第三，与其他活性材料复合构建纳米结构材料以提高其性能被认为是一个非常有前途的研究方向。
叶代新博士：上海大学特聘副研究员，硕士生导师，上海市青年东方学者。2015年毕业于复旦大学，师从国家杰出青年获得者孔继烈教授。同年前往瑞典哥德堡大学从事博士后研究，合作导师为瑞典皇家科学院院士Andrew Ewing教授。2019年3月起担任上海大学理学院特聘副研究员。目前已发表文章近50篇，其中第一作者或通讯作者文章28篇，引用1500多次，参与撰写书籍2章，H指数为20。
赵宏滨教授：现为上海大学理学院化学系科研副主任，可持续能源研究院氢能燃料电池研究中心常务副主任，科技部重点研发计划锂离子和燃料电池会评网评专家。主要研究方向为燃料电池电极材料、锂离子电池、锂硫电池和超级电容器等。至今已发表高水平SCI和EI论文共80余篇，入选ESI高被引论文4篇，HOTPAPER论文1篇，他引总次数超过1600次。副主编Springer出版专著1本，参编Springer出版专著3章，本科工程化学系列教材3章，申请及授权专利10项。
张久俊院士：博士/教授/博士生导师，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大工程研究院院士，长期从事电化学能源存储和转换的研究和产业化工作，现任上海大学理学院/可持续能源研究院院长。曾担任加拿大国家院首席科学家，并在全球领先的企业任职过高级研究员和项目经理；国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席兼总裁；加拿大国家自然科学基金会评专家、美国国家能源部（DOE）基金委员会评委、国际科技基金仲裁团委员；中国国家科技进步奖、自然科学奖海外评审专家；连续7年入选全球高被引学者名单。至今已发表科学技术论文报告400多篇，被引用22000多次；编著18本专著，41部书章节；120多场口头演讲；获16项美国及欧洲专利；撰写90多份工程技术报告。
Yanmei Gong et al., Progress in energy related graphynes-based materials: advanced synthesis, functional mechanisms and applications, Journal of Materials Chemistry A.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta08521a#!divAbstract
