第一作者：谢海燕
通讯作者：黄洪伟教授
通讯单位：中国地质大学（北京）
论文DOI：10.1002/adfm.202510586
石墨二炔（GDY）是一种新兴的二维全碳材料，由sp/sp2杂化碳原子构成，具有高度π共轭的电子结构和均匀分布的纳米孔，展现出非均匀的电子分布和优异的电荷传输性能。这些特性使其在多个科学领域引起广泛关注。近日，中国地质大学（北京）黄洪伟教课题组在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Multidimensional Graphdiyne Structures and Beyond for Energy Conversion and Storage”的综述文章（图1）。该文首先回顾了石墨二炔基材料的历史发展脉络，随后系统介绍了按维度分类的各类GDY结构的特征及其合成方法，全面总结和讨论了近年来在多维GDY材料研究方面的重要进展，包括其在电催化、光催化、光电催化、热催化、能源转换器件、电池、超级电容器及储氢等能源转换与存储领域中的应用。最后，文章分析了当前多维GDY在能源利用中面临的主要挑战，并对未来发展方向提出了展望。
图1. 多维石墨炔用于能源转化和存储示意图。
近几十年来，人类文明的快速发展与全球性环境恶化和能源危机之间的矛盾日益凸显。化石燃料燃烧所产生的CO2等污染物排放导致严重的温室效应（图2a）。为应对这些挑战，开发绿色清洁能源已成为当务之急。氢能因其高能量密度和可再生特性受到广泛关注，全球多个行业对氢能的需求也持续增长（图2b）。与此同时，光伏、风电等清洁与零排放能源也逐渐成为研究热点。然而，大多数可再生能源受限于时空波动性，难以实现持续稳定的利用。因此，发展高性能催化剂与可持续能源转换和存储技术，成为突破可再生能源时空约束、提升其可利用性的关键途径。
图2. 清洁能源转型的迫切需求和可行性。(a) 全球温室气体排放的细目; (b) 净零下(2020-2030年)全球各部门氢能需求。
石墨炔（Graphdiyne, GDY）是一种新兴的二维碳同素异形体，其结构由苯环和乙炔键（-C≡C-）连接形成二维平面网络。该材料具有高度共轭的π电子体系、均匀分布的天然孔隙、可调带隙（约0.44-1.47 eV）以及优异的化学与机械稳定性，因而表现出高载流子迁移率、强光吸收能力、出色的电荷存储与传输性能。1987年，Baughman等首次从理论上预测了石墨炔的存在，提出其是一种由sp和sp2杂化碳原子构成的稳定晶体结构。2010年，Li等通过交叉偶联反应在铜表面成功合成出大面积GDY薄膜，实现了GDY从理论到实验研究的跨越。随着不同形态GDY基材料的陆续制备，其应用领域不断扩展（图3a）。以“Graphdiyne”为关键词在Web of Science核心馆藏中进行检索，可见近年来相关出版物数量呈快速增长趋势（图3b）。文献计量分析进一步证实了GDY基材料在多领域的广泛应用（图3c）。
图3. 石墨炔研究概要。(a) 基于GDY材料的重要研究发展时间线; (b) 2010-2024年间Web of Science数据库以“graphdiyne”为主题发表的出版物数量, 检索日期: 2025年1月; (c) 石墨炔材料的文献计量网络可视化图。
1. 首次从多维度视角（0D、1D、2D及3D）系统梳理了石墨炔的结构分类、合成方法及其在能源领域的应用，突破了以往单一维度的研究局限。
2. 系统总结了石墨炔在光催化、电催化、光电催化、热催化、能源转换器件、电池、超级电容器及储氢等多个方向的研究进展，阐明了其独特的结构特性与性能之间的内在关联。
3. 对多维石墨炔及其衍生物在能源转换与存储领域的应用前景进行了总结与展望，为其未来发展提供了方向。
1. 按维数分类的各种GDY结构的结构特点和合成方法
GDY在宏观尺度上分为四种类型，包括零维（0D，如量子点和纳米颗粒）、一维（1D，如纳米链、纳米纤维、纳米线、纳米带和纳米管）、二维（2D，如纳米薄膜、纳米片、纳米壁和纳米管阵列）和三维（3D，如多孔纳米框架、泡沫和纳米球）结构（图4）。目前常用的合成策略主要包括干化学法（如表面合成、机械剥离和爆炸法）、湿化学法、铜表面催化、模板法及偶联反应等。前驱体设计、催化剂选择、基底类型以及反应动力学共同决定了材料的交联方式、生长模式与结晶度，从而调控其最终应用性能。通过对合成策略的系统优化，可实现GDY结构与性能的精准调控，为其功能化应用奠定基础。
图4. 多维石墨炔材料的分类。
2. 多维石墨炔用于能源转化
本章系统综述了多维石墨炔材料在光催化、电催化、光电催化、热催化转化及能源转化器件中的应用。首先，总结了多维石墨炔基催化剂在光催化析氢反应（HER）、析氧/产过氧化氢/全水分解反应（OER/HPR/OWS）、二氧化碳还原反应（CO2RR）以及氮气还原反应（NRR）中的性能（图5）。0D量子点借助量子限域效应优化光吸收与载流子迁移行为；1D纳米棒与2D阵列结构构建了定向电子传输通道，提升了NRR的效率；2D纳米片凭借其高比表面积和高度共轭的炔键结构，显著增强了HER和CO2RR性能；3D多孔结构不仅优化了反应传质过程，还提高了材料在长期催化循环中的结构稳定性。
图5. 多维石墨炔基催化剂的光催化应用。
随后，系统总结并阐述了多维石墨炔材料在电催化HER、OER、氧还原反应（ORR）、CO2RR、NRR和硝酸根还原反应(NO3RR)等反应中的应用进展（图6）。研究表明，2D纳米片凭借其超大比表面积和丰富的活性位点，在HER中表现出较低的过电位；3D多孔框架通过优化传质路径并稳定金属单原子，在OER和NO3RR中实现了高电流密度与高选择性；而1D纳米纤维与0D量子点相结合，利用其定向电子传输和原子级分散特性，显著提升了CO2RR和HER性能。此外，本文还探讨了维度工程调控的石墨炔材料在热催化甲酸分解反应中的应用进展。
图6. 多维石墨炔材料电催化HER/OER/ORR性能的比较。
此外，为更好理解多维石墨炔材料在能源转换器件中的应用发展，本文还系统综述了其在太阳能电池（图7）和燃料电池以及光电探测器、致动器和晶体管等器件中的研究进展。研究表明，0D量子点可通过界面修饰与带隙调控有效提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率；2D纳米片能够改善有机太阳能电池中的电荷传输性能；而2D薄膜则展现出稳定的质子传导通道，适用于燃料电池体系。在光电探测器应用中，基于石墨炔的异质结构表现出宽光谱响应和快速响应时间等优势。这些维度依赖的特性为能量转换器件的结构设计与性能优化提供了重要依据。
图7. 多维石墨炔材料太阳能电池性能对比。
3. 多维石墨炔用于能源存储
本章详细讨论了多维石墨炔材料在电池、超级电容器及储氢等领域中的应用。首先，总结了其在金属离子电池、金属-空气电池以及新概念电池中的性能表现（图8）。研究表明，2D结构凭借可调的层间距和高度导电的碳网络，显著提升了锂/锌离子电池的倍率性能和循环稳定性；3D框架则依托其连续导电网络和有效的缓冲空间，有效抑制电极材料膨胀，在钠/钾离子电池及金属-气体电池中实现了高容量与长循环寿命的协同优化。特别值得关注的是，石墨炔独特的三角孔隙结构为大尺寸离子提供了理想的扩散通道，而其表面改性策略（如氟化处理）进一步优化了界面相容性。本章系统揭示了维度设计-结构特性-电化学性能之间的构效关系，为下一代高性能储能器件的理性设计提供了重要的理论基础与实践指导。
图8. 多维石墨炔材料电池性能对比。
随后，系统总结并阐述了多维石墨炔材料在超级电容器中的应用进展。研究表明，通过维度工程策略可显著提升其超级电容器性能（图9）。纳米粒子、纳米纤维、纳米链及纳米片等不同维度的结构调控均有助于提高材料的比电容，其中2D纳米片结构表现出最优异的电容保持率。此外，本文还探讨了多维石墨炔材料在储氢领域的研究进展。目前，石墨炔基材料的储氢性能研究仍主要集中于理论模拟阶段。尽管轻金属或杂原子修饰可有效提升其储氢容量，但仍需综合考虑质量与成本之间的平衡。未来研究可借助机器学习等技术，为高效储氢材料的设计与优化提供新途径。
图9. 多维石墨炔材料超级电容器性能对比。
石墨炔在能量转换与存储中的性能与其结构维度密切相关，不同维度的形貌结构呈现出独特的优势并适用于不同的应用场景。本文首先概述了清洁能源研究的最新进展以及石墨炔基材料的发展历程，随后系统归纳了石墨炔纳米材料的维度分类与相应形态结构的合成方法，并重点阐述了多维石墨炔在光催化、电催化、光电催化、热催化、能量转换器件、电池、超级电容器及储氢等领域的应用研究。尽管该领域已取得显著进展，多维石墨炔材料仍面临精确合成、规模化制备、结构表征深化以及应用拓展等多重挑战（图10）。文章最后提出了若干可行的发展方向，以期为构建高性能多维石墨炔催化体系提供理论参考与技术借鉴。
图10. 多维石墨炔材料用于能量转化与存储的主要挑战和未来方向。
Haiyan Xie, Pengwei Jia, Hongwei Huang*. Multidimensional Graphdiyne Structures and Beyond for Energy Conversion and Storage.
文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510586
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