二维石墨炔材料在能源领域的机遇和挑战

近期，Science China Chemistry邀请中国科学院化学研究所李玉良院士、北京大学张锦教授、刘忠范院士和国家纳米科学中心赵宇亮院士共同撰写了综述文章“2D graphdiyne materials: challenges and opportunities in energy field”，阐述了石墨炔在能源领域的理论和实验研究新进展及石墨炔基新型能量转换和储能的重要成果，并深度探讨了石墨炔材料未来的挑战和机遇。敬请关注！

因其卓越的电子、光学、催化和电化学性能，碳材料在可持续能源应用中已展现了巨大的潜力。合成、分离新的不同碳同素异形体是过去二三十年研究的焦点，科学家们先后发现了富勒烯、碳纳米管和石墨烯等新的碳同素异形体，这些材料均成为了国际学术研究的前沿和热点。传统碳材料中碳原子以sp、sp²或sp³杂化态或者以sp²/sp³的形式存在，比如通过sp³杂化形成金刚石，通过sp²杂化形成富勒烯、碳纳米管和石墨烯等（图1）。由sp杂化态形成的碳碳三键具有线性结构、无顺反异构体和高共轭等优点，sp杂化态碳的新同素异形体被认为是下一代新的电子和光电器件的关键材料。

图1 碳材料中碳杂化态相图。顶点表示单一杂化态；图边表示两种不同的杂化态；三角内表示三种杂化态共存。

2010年，化学所石墨炔研究团队首次化学合成了碳新同素异形体——石墨炔（graphdiyne，GDY），开拓了碳科学研究的新领域。石墨炔是一种由sp和sp²碳共杂化形成的全新的二维平面网络结构全碳分子（图2），具有丰富的碳化学键，大的共轭体系、宽面间距、天然孔洞、天然带隙、优异的化学和热稳定性及催化等性能。因其独特的化学结构、电子结构及奇特的化学和物理性质，石墨炔迅速成为化学、物理和材料科学领域研究的焦点，受到科学家的极大关注。石墨炔在能源、催化、光学、电学、光电子器件等诸多领域展现出巨大的应用潜力，在国际上产生了重要影响，正在全球范围内形成新的研究方向。

图2 石墨炔分子结构.

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