理论视角解析石墨炔家族结构特性及其在能源、催化领域的应用进展

• 导读

济南大学的康宝涛教授和成均馆大学的Jin Yong Lee教授(韩国)在Chemical Reviews期刊上合作发表了名为“Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances”的综述文章。在这篇综述中，作者从理论化学家的角度总结和讨论了基于石墨炔的材料的合成、结构特性和应用。

• 成果掠影

在人类的历史长河中，碳的同素异性体对人们生活的方方面面都有着卓越的贡献。作为新兴的碳基低维材料，以石墨二炔为代表的石墨炔家族（GYF）由于其优越的物理化学性能，具有广泛的潜在应用。特别是石墨二炔(GDY)作为石墨炔家族的领头羊，自首次成功合成以来，已被实际应用于各个研究领域。 GYF具有较大的表面积，既有sp也有sp2杂化，并有一定的带隙。这些特性意味着基于GYF的材料仍有许多潜在应用有待开发，尤其是在储能和催化利用方面。由于大部分 GYF 尚未合成，而已成功合成的 GYF 的应用研究也相对短缺，因此我们希望通过这篇综述将各个应用领域的理论成果分享给实验人员，以吸引对这一材料的更多的关注。

三、研究成果

石墨炔作为一种新兴的碳基低维材料，由于其优异的物理和化学性质，在过去二十年中引起了广泛关注。尽管 Baughman 等人在早在1987年就在理论上预测了这种由炔键 (─C≡C─) 连接的碳同素异形体的平面结构，但是石墨炔的实际合成一直是一个挑战，主要是因为炔烃偶联困难及其复杂的副反应。直到 2010 年，才成功合成了第一个具有两个插入乙炔键的大规模石墨二炔薄膜。自此，石墨炔成为低维碳基纳米材料家族中崛起迅速的新成员。合成石墨二炔的实验技术可分为几类：交叉偶联，气-液-固生长，化学气相沉积，基材模板，控制释放，新型双电层受限策略和双极电化学方法。同时，众多理论研究通过各种方法，包括半经验紧束缚计算，非平衡态格林函数法，分子动力学模拟，密度泛函理论计算，GW 近似方法，和机器学习方法等，用来预测和研究石墨炔家族成员的结构、电子、磁性和催化特性。理论预测结果显示，石墨炔有着与石墨烯不同的物理和化学性质。石墨烯是自2004 年发现以来研究最频繁的碳同素异形体之一，它是一种奇特的半金属，在其布里渊区的 K(K') 点上有六个狄拉克点。跨越这些K点的完美线性能量色散保证了石墨烯的高电子迁移率特性；然而，其无带隙的特性限制了其在电子设备开发中的潜在应用。与石墨烯相比，石墨炔家族成员的电子特性覆盖了从金属到半导体，带隙可达到1.63 eV。石墨炔家族成员表现出的不同的物理和化学性质源于其同时具有sp-和sp²-两种杂化的碳原子，而石墨烯的结构仅由sp²- 杂化的碳原子。这些特性使其可以通过氢化卤化，掺杂和吸附等方式进一步优化。因此，石墨炔作为低维碳材料的应用领域更为广泛。从理论结构预测到合成和潜在工业应用，关于石墨炔的出版物数量每年快速增加也证明了这点。

开发高效的产能和储能材料以解决全球能源危机一直是研究的热点。石墨炔是各种能源技术的理想材料候选者，包括电催化、光催化，太阳能转换，储氢，离子电池，超级电容器等等。然而，由于大部分理论预测的石墨炔家族成员尚未合成，石墨炔的材料在这些领域的研究仍处于起步阶段。在这篇综述中，作者首先详细地讨论了石墨炔的结构和电子性质，进而从性质出发对其在能源领域的潜在应用给出建议。之后，作者总结了近些年来基于石墨炔的材料在能源领域的应用的理论和实验研究，特别是介绍了理论和实验研究之间的相互印证。希望这篇从理论计算的角度系统论述了石墨炔的前世今生及其在储能、能源转化方面的应用的综述研究可以给科研人员们在这一材料的开发上提供更多的思路和灵感。

图1 碳同素异性体的发展史

图 2 基于石墨炔材料的年文章数量。数据获取于Web of Science.

原文详情：Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances

Hao Li, Jong Hyeon Lim, Yipin Lv, Nannan Li, Baotao Kang, and Jin Yong Lee

Chemical Reviews

DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00729

第一作者：

李浩，博士。2017年在青岛大学获得硕士学位，导师为傅爱萍教授。2021年在韩国成均馆大学 Sungkyunkwan University (SKKU) 获得博士学位，师从Jin Yong Lee教授。目前是“SKKU Science Fellow”项目的博士后研究员，研究方向为电化学催化，蛋白折叠以及基于人工智能的材料和药物设计。

通讯作者：

康宝涛，济南大学化学化工学院副教授。2008年本科毕业于山东大学学士学位，2013年于韩国成均馆大学获得博士学位，并先后于2013-2015和2020-2021期间于韩国成均馆大学从事博士后和访问学者（韩国国家研究财团“Brain Pool” Fellow）工作。他的研究领域是计算化学和材料，包括荧光探针、燃料电池、电池等，特别是多年来一直从事石墨炔材料方面的研究，揭示了其在催化和储能方面的结构-效能关系。

李镇勇（Jin Yong Lee），韩国科学技术院副院士，成均馆大学终身教授。1997年8月毕业于韩国浦项工业大学，获博士学位。1997年至2005年，先后赴加州大学伯克利分校、罗彻斯特大学、日本分子科学研究所等机构开展研究工作。2002年至2005年任教于韩国全南国立大学，后任教于成均馆大学，并于2012年10月获终身教职。2015年1月，当选韩国科学技术院副院士。李镇勇教授长期从事功能材料、生物体系构效关系等体系的理论研究，已在国际一流期刊如 J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Comm.，Chem. Eur. J.，J. Phys. Chem., Phys. Chem. Chem. Phys. 等发表高水平SCI论文230篇，总引用次数高达7600余次，h-index 指数为47，多次受邀在国际大会上作报告。2005年8，亚洲化学学会联合会授予其杰出青年化学家；2006年10，韩国化学会-Wiley 联合会授予杰出青年学者；2011年9月，韩国化学会物理化学分会授予杰出青年物理学家；2012年1月，亚太理论与计算化学家协会授予Pople 勋章 。