導語：
石墨炔是一種具有sp和sp2共雜化的新興碳材料，在能源、催化、智能信息、生命科學和光電轉換等領域顯示了天然特性和優勢，比如低溫溫和條件下在任何基底表面原位可控生長，表面不均勻的電荷分布，豐富的化學鍵和高本征活性，高孔隙率和大比表面積，寬層間距和優異的化學穩定性，高電導率和高載流子遷移率等。石墨炔獨特的電子和化學結構吸引了科學家們越來越多的關注，并產生了一些碳材料研究的新理念、新概念和新知識。近年來，石墨炔科學得到迅速發展，并在基礎和應用研究方面產生許多令人振奮的成果。石墨炔的出現開啟了碳材料研究的新領域，改變了科學家們對傳統碳材料的理解，并逐漸在化學、材料、生物和物理等領域形成新的研究方向。特別是近幾年，石墨炔在自組裝、原位生長、催化、光電子、環境工程、新材料、智能信息、新模式的能源存儲與轉換等諸多領域展示了優越的性質和性能，從多個角度詮釋了二維碳石墨炔基礎科學和應用科學研究的強大生命力。
之前的綜述主要聚焦石墨炔的可控合成、物理化學性質、結構和聚集態結構以及在一些重要領域的基礎和應用研究。結合理論和計算模擬更系統、深入描述石墨炔的新概念、新性質和新現象是石墨炔科學進入一個新時期的重要標志。基于此，中國科學院化學研究所李玉良院士團隊系統介紹了近年來石墨炔在能源應用方面的理論與實驗進展，包括結構、電子、力學、熱學和光學性質等，以及在膜科學、催化、能源存儲與轉換等領域的新應用。通過理論結合實驗，他們提出并闡述了一系列重要的新概念，比如天然的表面電荷分布不均勻性、多孔洞空間限域效應、不完全電荷轉移效應、化學鍵的轉換“炔-烯互變”、“供體-受體”電子轉移穩定機制、原位誘導約束生長、石墨炔誘導的金屬原子高價態到低價態的可逆轉變等。作者還對石墨炔未來的基礎和應用研究的機遇和挑戰進行了展望，該工作對探索石墨炔基高性能材料和器件在能源領域的新應用模式具有重要的指導意義。相關研究成果以“Advances on Theory and Experiments of the Energy Applications in Graphdiyne”為題發表在CCS Chemistry（DOI:10.31635/ccschem.022.202202328）。第一作者為何峰副研究員；通訊作者為李玉良院士和何峰副研究員；通訊單位為中國科學院化學研究所。
圖1. 石墨炔的二階拓撲電子性質（來源：CCS Chemistry）要點解讀：第一性原理計算表明，單層石墨炔是首個現實存在的二維電子（圖1a-d）和聲子（圖1e-h）二階拓撲絕緣體，而ABC堆垛的體相石墨炔是首個現實存在的三維二階節線半金屬（圖1i-m）。
圖2. 石墨炔的力學、熱學、光學以及結構性質（來源：CCS Chemistry）要點解讀：理論研究表明，石墨炔具有獨特的力學性質（圖2a），熱學性質（圖2b,c）和光學性質（圖2d-f），有望用作選擇性分離膜、儲能器件、復合材料、熱電材料、光電材料、發光器件、電子傳感材料等。石墨炔的性質還跟它的結構相關，比如零維石墨炔納米球可以作為電子受體，通過強d-?相互作用改變金屬納米團簇的電子結構和催化性質（圖2g,h）。
圖3. 石墨炔薄膜用于離子/氣體分離以及質子交換（來源：CCS Chemistry）要點解讀：石墨炔具有天然的三角孔隙、優異的孔隙均勻性、合適的范德華孔徑尺寸（0.06 nm2），超高的孔隙密度（2.5×1018 m?2）和杰出的機械穩定性，這些優點賦予石墨炔成為膜材料的巨大潛力，無需通過化學方法構建孔隙就能夠有效促進離子/氣體的選擇性分離（圖3a,b）。分子動力學模擬結果表明，石墨炔膜在室溫下的水溶液中同時具有優異的質子電導率和選擇性，而且由于合適的孔徑，石墨炔基質子交換膜可以實現直接甲醇燃料電池中甲醇零滲透（圖3c,d）。
圖4. 石墨炔基電極材料用于能量存儲與轉換（來源：CCS Chemistry）要點解讀：石墨炔基材料廣泛應用在能量存儲與轉換領域。石墨炔基電化學驅動器能夠實現高達6.03%的機-電轉換效率，這是因為電刺激帶來可逆的炔-烯化學鍵互相轉變（即炔-烯互變），導致石墨炔的結構尺寸發生變化（圖4a,b）；利用石墨炔陽極材料自膨脹鋰離子傳輸通道的新概念，獲得高性能快速充電鋰離子電池（圖4c,d）；通過構建石墨炔基電化學異質結界面，有效解決電化學過程中材料粉碎、腐蝕和活性物質易流失等問題（圖4e,f）。
圖5. 石墨炔基原子催化劑新概念及其催化應用（來源：CCS Chemistry）要點解讀：石墨炔基零價原子催化劑的出現是催化領域的重大突破。石墨炔可以高效穩固錨定低價甚至零價金屬原子，這是因為石墨炔獨特的富炔孔洞結構為金屬原子提供了天然的限域空間和合適的配位環境，并帶來原子層面的不完全電荷轉移（圖5a,b）。石墨炔基原子催化劑的高活性使其廣泛應用在析氫、固氮制氨、二氧化碳還原、二氧化碳固定成酯、苯氧化等多種催化反應中（圖5c-f）。
圖6. 石墨炔基量子點和異質結催化劑用于醇類氧化和全解水（來源：CCS Chemistry）要點解讀：石墨炔具有強還原性的均勻富炔多孔結構，不均勻的表面電荷分布，以及可調的電子性質，這些天然優勢和特性賦予石墨炔作為理想載體，用于原位誘導約束生長高穩定且具有精確化學結構的石墨炔基量子點催化劑，并表現出超高的醇類氧化活性（圖6a-e）。石墨炔基異質結催化劑具有非常強的界面相互作用和界面電荷轉移行為，有助于提高電導率，增加活性位點，以及帶來高價態和低價態的可逆轉變，并因此表現出優異的全水解催化性能（圖6f-i）。石墨炔是一種新興的碳材料，具有豐富的化學鍵、大的?共軛體系、天然的多孔結構、固有的本征帶隙、高載流子遷移率、表面不均勻的電荷分布、優異的力學性能、高表面活性等。自從2010年首次成功合成以來，石墨炔引起了全世界研究人員的廣泛關注和興趣。更重要的是，石墨炔研究由中國科學家開創并持續引領。據中國科學院科技戰略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安聯合向全球發布的《2020研究前沿》報告，石墨炔研究被列為化學與材料科學領域Top10熱點前沿。據國家科技圖書文獻中心報告目前有來自超過60多個國家和地區的500多個團隊開展了該領域研究。石墨炔研究為碳科學發展帶來了諸多的研究成果，并推動了碳材料發展和進步，但仍然處于以基礎研究為主的階段，許多物理化學新現象和新性質吸引我們去發現，一些重要的基本科學問題還需要深入理解。建立實驗和理論研究的緊密聯系是該領域的主要挑戰。為此，我們總結了以下促進石墨炔科學快速發展和進步的幾點核心問題：（i）結合理論和現代表征技術建立石墨炔功能化體系的精確結構模型；（ii）通過高分辨表征技術結合計算模擬清楚理解石墨炔基聚集態材料的精準結構和組成；（iii）通過理論研究初步實現石墨炔基體系的功能預測和多功能器件的集成；（iv）通過理論指導石墨炔基體系的可控制備并掌握一般規律；（v）建立研究石墨炔在能量轉換和物質轉換與轉化的普適理論方法。
何峰，2018年畢業于中國科學院長春應用化學研究所，獲物理化學博士學位，現擔任中國科學院化學研究所李玉良院士團隊副研究員，長期從事新型石墨炔基能源材料的理論結合實驗研究工作。目前已在國際重要專業期刊比如Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等上發表SCI論文20余篇，參與撰寫英文專著1部，并作為“二維碳石墨炔”研究集體的主要完成者之一，榮獲2021年度中國科學院杰出科技成就獎。李玉良，中國科學院化學研究所研究員、中國科學院大學教授、博士生導師，中國科學院院士。曾在荷蘭阿姆斯特丹大學化學系、美國Nortre Dame (圣母) 大學國家放射實驗室和香港大學化學系從事研究及合作研究。2002年、2005年和2014年三次獲得國家自然科學二等獎，兩次獲北京市科學技術獎（自然科學）一等獎和中國科學院自然科學二等獎一次，2017獲首屆全國創新爭先獎，2017年獲何梁何利科學與技術進步獎，2021年獲中國科學院杰出科技成就獎。研究領域為碳基和富碳分子基材料定向、多維、大尺寸聚集態結構和異質結構自組織生長、自組裝方法學以及在能源、催化和光電等領域的應用。課題組主頁： http://ylli.iccas.ac.cn
