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石墨炔顶刊新突破！这几个亮点值得关注

先丰纳米

2025-12-16

在碳材料的研究中，石墨炔，特别是其代表石墨双炔，凭借其独特性质，正成为顶级期刊中冉冉升起的明星。作为一种新型碳同素异形体，石墨炔的巨大魅力源于其独特的sp/sp²共杂化二维平面网络结构。这种结构不仅赋予了它卓越的电子传输能力和可调的能带结构，更在其晶格中创造了本征、均匀的三角形纳米孔道（直径约3.7-5.4Å），为离子筛分、分子传输和原子锚定提供了完美的舞台。

研究人员通过精准调控其电子结构、实施孔道工程及构建异质集成系统，能够像“编辑”程序一样“编辑”石墨炔的物理化学性能。这种强大的原子级可定制性，正驱动其应用从最初的理论构想，迅速拓展至能源、环境、催化及智能器件等关乎未来科技的核心领域。

本期小丰整理了4篇石墨炔材料的最新研究进展，一起看下又有哪些新进展吧~

Nature Water

二维有序石墨炔膜实现高效选择性水传输

随着全球人口和工业化的增长，淡水资源的污染日益严重，海水淡化成为可持续供水的重要途径。膜分离技术因其高效能和节能特性，在海水淡化中具有巨大的潜力。石墨二炔（GDY）作为一种新兴的二维碳材料，因其具有丰富的内在孔隙和高度可调的结构，成为高效水传输膜的理想候选材料。

近日，期刊Nature Water报道研究人员成功合成具有二维有序孔道的石墨二炔（c-GDY）膜，并展示了其在水/离子分离中的卓越性能。

在该项工作中，研究人员以单晶Cu（111）为生长基底使用了经典的格拉斯-偶联反应合成了厘米级超薄石墨炔（GDY）膜。通过优化膜的厚度和孔隙结构，合成的有序多层C-GDY膜不仅保持了单层GDY的平面内纳米孔结构，还具备出色的机械强度，因此在水传输和离子排斥方面展现出良好表现。优化后的GDY膜表现出卓越的水渗透率（约32.9mol m^-2h^-1bar^-1）和超高的水/NaCl选择性（5.96×10⁴），其性能超越了目前最先进的膜材料，同时对海水中的小离子实现了超过99.77%的截留率，其水通量达到约26.4L m^-2h^-1，超越了当前最先进的膜材料。

机理研究表明，GDY晶体中的疏水通道迫使水分子以单列构型排列，并通过一维氢键链进行传输。这种一维水链结构使GDY膜能够实现快速的水分子扩散。

这项研究表明，GDY膜不仅能促进快速水运输，还能有效排斥小的水合离子，表现出色的海水淡化性能。此外，GDY膜能够将水分子局限于其疏水通道内，从而提高质子运输效率，具备广泛应用前景。

与生物水通道蛋白和人工碳纳米管孔素相比，GDY膜在可伸缩性和鲁棒性上具有优势，是未来水纯化和仿生系统的有力工具。成功将GDY膜转移到多孔底物上，进一步证明了其大规模生产和应用的潜力，为下一代膜技术的发展奠定了基础。

文献名称：Synthesis of two-dimensional ordered graphdiyne membranes for highly efficient and selective water transport

Advanced Materials

石墨炔闪速制备——电子束辐照实现高产率合成

石墨炔（GDY）作为一种由苯环与炔键周期性排列构成的新型二维碳材料，传统制备方法需依赖高活性但极不稳定的单体（HEB），必须在惰性气氛中经历数小时高温反应，且需额外步骤对稳定前体（HEB-TMS）进行活化。现有改进工艺（如微波法、爆炸法等）虽缩短了时间，仍无法兼顾环保性、操作简易性与规模化生产需求。如何实现GDY的高效、绿色合成，成为推动该材料从实验室走向产业化的核心挑战。

近日，期刊Advanced Materials报道了一种石墨炔超快合成策略。利用高能电子束辐照技术，实现HEB-TMS的超快原位脱硅和偶联，在数秒内完成GDY的合成。当以Cu(OAc)₂和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）分别作为催化剂和溶剂时，GDY的产率高达≈100%。

不同溶剂的筛选结果表明，DMF因其对原料优异的溶解性与对中间体的有效稳定性，使GDY产率>99%；而不同辐照剂量的结果指出，50kGy可实现HEB-TMS完全转化。研究人员通过简化模型（苯乙炔基三甲基硅烷）研究辐照反应机理，辐照结果显示低剂量（≤20kGy）下底物无法完全转化，产生了苯乙炔铜中间体，而电子捕获剂的引入(FeCl₃)导致产物消失，证明了辐照诱导Cu(II)还原成Cu(I)是实现脱硅形成炔铜的重要步骤。

值得注意的是，该方法同时促进了Cu₂O纳米颗粒的形成，最终得到了Cu₂O/GDY复合材料。电化学测试表明，通过电子束辐照合成的Cu₂O/GDY在电催化硝酸盐还原反应（NO₃RR）制氨过程中展现出卓越的催化性能，法拉第效率（FE）达94%，氨产率为26,997µg h^-1mg^-1。

该研究不仅开创了超快速、可规模化合成GDY的革命性方法，同时凸显了其在先进催化应用中的潜力。

文献名称：Graphdiyne Production in a Flash: High‐Yield Direct Synthesis by Electron Beam Irradiation

JACS

模块化可定制石墨炔，实现CO₂电催化“结构—性能”精准调控

面对全球碳排放的不断加剧，电催化二氧化碳还原（CO₂RR）已成为可持续化学合成的核心途径。尽管已开发出多种催化剂体系，但缺乏能够同时实现高效率、高选择性和长期稳定性的理想材料仍然是一项关键瓶颈。

近日，期刊JACS报道研究人员团队提出了“模块化分子积木”策略，通过对石墨炔（GDY）进行可定制化构建，成功实现活性位点电子结构的原子级精准调控，从而高效控制CO₂电催化还原路径。

研究人员通过结合密度泛函理论DFT计算与实验验证，筛选了一系列多样化的给电子和吸电子基团，构建了13种有机分子单元。这些单元随后被用于合成具有精确定义分子构型的超薄GDY材料。

研究发现，新合成的GDYs展现出与原始GDY截然不同的宽范围电子结构。这些材料的催化活性呈现出与活性炔碳原子氧化态密切相关的火山形变化趋势。这种机理层面的理解进一步允许对CO₂RR产物中的CO/H₂比例进行可逆调控，覆盖范围从1:10到13:1，从而从而实现通过活性位点氧化态的调控来直接调节CO₂RR与HER的竞争关系。其中，具有适中氧化态的3FGDY实现了高达93%的CO法拉第效率（FE），并保持了长达90小时的优异稳定性。

Pearson相关性分析进一步确定了内在电子描述符——如功函数、价带顶（VBM）和费米能级——是主导CO₂RR性能的关键参数。

该工作不仅凸显了模块化GDY在可持续能源转换领域的巨大潜力，而且确立了直接的原子级结构—性能关系，并为模块化材料设计提供了有力的概念验证。

文献名称：Control of CO2 Electrocatalysis via Modularly Customizable Graphdiyne

Angew

石墨炔配位调控小尺寸聚酞菁电催化合成羟胺

羟胺（NH₂OH）是一种重要的化工原料，传统合成方法复杂且条件苛刻。铁酞菁（FePPc）等分子催化剂因其独特的单活性位点结构，被认为在NO₃^-还原为NH₂OH的过程中具有潜在优势，但其活性和稳定性仍需进一步提升。

近日，期刊Angew报道研究人员针对金属聚酞菁横向聚合度难以控制、轴向易堆叠，以及单一金属分子催化剂无法高效完成从硝酸根到羟胺全链条反应路径的问题，发展了基于氢取代石墨炔二维有序双炔键构型控制小尺寸、单层金属聚酞菁聚合度的普适配位合成方法。通过氢取代的石墨炔（HsGDY）与铁酞菁（FePPc）的协同作用，实现了对硝酸盐还原为羟胺的串联催化过程的高效调控。

在该项工作中，研究人员通过利用氢取代石墨炔排列有序的双炔键作为配位点，通过与Fe-N₄位点的d‒π相互作用控制聚酞菁铁沿氢取代石墨炔二维平面生长的聚合度，同时抑制其层间堆积行为，实现了FePPc在HsGDY表面的均匀分散，成功制备了沿氢取代石墨炔二维平面分布的具有四个Fe–N₄配位中心的小尺寸聚酞菁铁电化学界面。

测试结果显示，在-0.7V vs RHE的条件下，HsGDY@FePPc实现了52.3µmol·h^-1·cm^-2的NH₂OH产率，法拉第效率（FE）达到34.0%，远高于单独的HsGDY（9.4µmol·h^-1·cm^-2）和CNT@FePPc（12.9µmol·h^-1·cm^-2）。

在连续36个循环的稳定性测试中，HsGDY@FePPc的NH₂OH产率和FE保持稳定，分别为46.6µmol·h^-1·cm^-2和35.1%。值得注意的事，在进一步的环己酮肟电合成中，HsGDY@FePPc实现了51.0%的FE和37.0µmol·h^-1·cm^-2的产率，表现出优异的催化性能。

进一步的研究显示，HsGDY@FePPc中的双炔键可以作为催化转化NO₃^–到NO₂^–的中转站，促进NO₂^–在聚酞菁铁Fe-N₄位点到NH₂OH的转化，降低了羟胺在酞菁金属位点的吸附能，实现了硝酸根到羟胺的选择性电合成。本研究为深度调控分子催化剂的结构与性能提供了新的配位合成方法。