石墨炔

石墨炔（Graphyne），是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，具有丰富的碳化学键、更大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能，石墨炔有望可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。研究表明，石墨炔是一种非常理想的储锂材料，且其独特的结构更有利于锂离子在面内和面外的扩散和传输，这样赋予其非常好的倍率性能，从实践证明石墨炔是一种非常有前景的储锂能源材料，科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。 近三十年来，科学家们一直致力于发展新的方法合成新的碳的同素异形体，探索其新的性能，并先后发现了富勒烯、碳纳米管和石墨烯等新的碳的同素异形体，并成为了国际学术研究的前沿和热点。首先了解一下碳家族的发展历程。

2010年，李玉良团队提出了在铜箔表面上通过化学方法原位合成石墨炔并首次成功地获得了大面积(3.61cm2)的石墨炔薄膜，且第一次被李玉良等研究人员用汉语命名为“石墨炔”。
石墨炔，由sp和sp2杂化形成的一种新型碳的同素异形体，它是由1，3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构，具有丰富的碳化学键，更大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能，以及力学、催化和磁学等性能，是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳二维平面结构材料。
著名杂志NanoTech2012年发布年度报告回顾了发现的几类重要材料，指出石墨炔的发现提升了对碳材料研究的强烈兴趣。并指出欧盟已将石墨炔等研究列入下一个框架计划，美、英等国也将其列入政府计划，并将石墨炔列入未来最具潜力和商业价值的材料。2015年该杂志以2015~2025二维材料机遇分析为专题，将石墨炔列为该专题的第七章进行评述。指出在电子、能源、航空航天、电信、医疗以及催化领域的重要潜在应用价值。
世界两大著名的商业信息公司Research and Markets公司和日商环球讯息有限公司评述了2019年前全球纳米技术和材料，将石墨炔列入最具潜力的纳米材料之一。 石墨炔独特的分子构型和电子结构，使其具有优异的电学、光学和光电性能, 在电子、储能、催化、光电等领域具有重要的应用前景。
石墨炔是理想的锂离子电池负极材料。石墨炔的形貌改变、杂原子的掺杂及共轭结构的增大，都会有效增加材料中储存锂离子的活性位点，从而提高石墨炔作为锂离子电池负极材料的电学性质及储锂性能。
在铜纳米线上进行石墨炔的原位生长可以制备超薄石墨炔纳米片，它表现出优异的电化学性能，包括高比容量、优异的速率性能、长的循环寿命，即使在20 A∙g−1 的高电流密度下长期循环之后，仍然可以获得高达449.8 mA∙h∙g−1 的高容量；氯原子掺杂石墨炔能够提高更多的活性位点并构成大孔洞结构来储存锂离子，使得氯掺杂石墨炔在50 mA∙g−1 的电流密度下进行充放电测试，电池比容量可达到1150 mA∙h∙g−1，在2 A∙g−1 的电流密度下其比容量为500 mA∙h∙g−1，并可循环200 圈不衰减；富氢石墨炔薄膜可以作为柔性电极材料，氢原子的引入增加了石墨炔的比表面及电导性，并利于锂原子的结合和传输扩散，从而使锂离子电池的比容量及性能得到显著提高，这为柔性电极材料的设计及制备提供了方法及思路。
石墨炔的高导电性和固有的面内传输孔道能够加速电子和离子的传输，结合石墨炔在基底表面的易原位生长的制备优势，可以将其作为电极(如硅电极、氧化物电极等)的包覆材料，有效地解决电极在长期循环过程中导致的导电网络崩塌及界面接触问题，提高比容量和循环稳定性能。另外，石墨炔在钠离子电池、超级电容器等能源存储器件中也有重要的潜在应用。 六炔基苯是制备石墨炔的理想单体，但其在空气中不稳定，自身可以发生交叉偶联反应，是科研工作者制备过程中的难题。实验表明，通过惰性气体的保护可以避免六炔基苯的氧化变质，同时降低反应前体的浓度也可以有效减少六炔基苯自身的交叉偶联反应。2010 年，李玉良院士课题组以铜箔为生长基底和催化剂，在吡啶溶液中由六炔基苯在铜箔表面发生高度有序的炔炔偶联反应并不断生长，从而成功制备了大面积(3.61 cm2)的石墨炔薄膜。石墨炔的成功制备，是世界上首次通过化学的方法获得的全碳材料，开辟了人工化学合成碳同素异形体的先例。随后，石墨炔的制备方法得到更多的探索和改良，如模板法、加热法、液液界面法、气相沉积法等，并用拉曼光谱Raman、X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、扫面电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等一系列方法对其表征。