碳材料是一种古老而又年轻的材料，与人类生活息息相关。碳元素具有三种杂化态(sp, sp 2 和sp 3 )，不同的杂化态可以形成不同的碳同素异形体。自然界中主要存在sp 3 杂化的金刚石和sp 2 杂化的石墨两种同素异形体。近些年来，人工制备的碳同素异形体不断出现如无定形碳、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、富勒烯、碳纳米管和石墨烯等。这些碳材料从结构上来说，其特点是具备sp 3 与sp 2 杂化。然而碳元素还存在sp杂化态，以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，受到了人们的广泛关注。石墨炔是由1, 3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维平面碳材料，其sp与sp 2 杂化态的成键方式决定了它的独特分子构型(图1a)。不同于其它碳材料，石墨炔具有由苯环、C≡C键构成的18个C原子的大三角形环, 其孔径大约2.5 ?，晶格长度a=b=9.44 ?。石墨炔具有单层二维平面构型, 为保持构型的稳定, 单层石墨炔在无限的平面扩展延伸中会形成一定的褶皱(图1b)。石墨炔层与层之间通过范德华力和π-π作用形成层状结构(图1c)，大三角形环在层状结构中构成了三维孔道结构(图1d), 这使得石墨炔具有丰富的碳化学键、高共轭性、均匀分散的孔道构型以及可调控的电子结构。此外石墨炔是一种半导体材料，就有较小的禁带宽度。这些优异的性质使得石墨炔在能源、催化、生物医学以及分离等领域具有重要应用前景。接下来我们将对石墨炔在这些领域的综述进行梳理。
图1. 石墨炔的结构 1
1. 石墨炔在能源催化领域研究进展
图2.石墨炔在能源转化领域研究进展 5
2. 石墨炔在能源存储领域研究进展
图3. 石墨炔在能源存储领域研究进展 6
首先，制备高质量的石墨炔材料有利于深入研究能量存储机制以及提高离子迁移率，从而缩小石墨炔在储能应用中实际和理论性能之间的差距。其次，石墨炔独特的结构以及制备优势使得调控石墨炔的的形貌、维度以及分子内孔结构成为现实，这是未来改进石墨炔基储能材料的前瞻性研究方向。第三，基于石墨炔的特殊性能，应扩大石墨炔在新型电化学储能装置中的应用。第四，优异的锂和钠存储性能以及独特的成膜能力表明，石墨炔层可用作金属电极保护层，而不是将其用作电极材料。与传统的电极材料相比，基于石墨炔碳的高速率和低膨胀系数是其目前尚未充分研究的两个优点。这些特性可能是解决因电极膨胀而导致电池故障的有效解决方案。
3. 石墨炔在生物医学领域研究进展
图4. 石墨炔在生物医学领域研究进展 7
首先，石墨炔能够稳定金属原子。炔键包括一个σ键和两个π键，其中每个π键中的电子对可以充当电子给体，与具有空轨道的过渡金属原子配位。因此，石墨炔将是一个有前途的用于固定金属原子和原位合成纳米催化剂的基质，这使其可用作高性能的生物传感器。同时，吸附金属离子的能力使石墨炔成为潜在的药物载体，例如装载铂类药物。此外，石墨炔还可以用于重金属离子的检测和消除。其次，石墨炔的炔键与配体不饱和基团之间可以发生加成反应。应当指出，与其它sp 2 杂化的碳材料相比，石墨炔在共价官能化后仍可以保留其共轭结构。如果该共价官能团化能够实现，那么石墨炔的生物应用将大大扩大。例如可以与靶向分子，跟踪分子和生物相容性分子共价连接，以用于其生物医学应用。第三，与许多二维材料一样，石墨炔的疏水性和π共轭表面能够非共价地装载许多用于疾病诊断和治疗的功能分子，例如通过疏水相互作用和π-π作用装载药物和基因。第四，石墨炔未来可用于DNA测序。石墨炔具有天然和规则的纳米孔，可以调整其大小和形状以创建不同类型的结构，当DNA的核苷酸通过石墨炔上纳米孔时，由跨膜电压引起的离子电流地改变可以被检测，进而进行DNA测序。
4. 石墨炔在海水淡化及气体分离领域研究进展
图5. 石墨炔海水淡化及气体分离领域研究进展 8
参考 献
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5. Li, J.; Gao, X.; Zhu, L.; Ghazzal, M. N.; Zhang, J.; Tung, C.-H.; Wu, L.-Z., Graphdiyne for crucial gas involved catalytic reactions in energy conversion applications. Energy Environ. Sci. 2020. DOI: 10.1039/C9EE03558C.
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