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石墨炔（Graphdiyne ，GDY） 是一種很有前途的碳同素異形體，在各個(gè)學(xué)科中都引起了極大的興趣。作為一種新興的能量轉(zhuǎn)換材料，GDY表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)碳材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能，在快充電池、氫能轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中均取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

近年來(lái)，各類石墨炔的衍生材料不斷涌現(xiàn)，如氧化石墨炔、氮摻雜石墨炔、氟化石墨炔等等，在能源、催化、光電等諸多領(lǐng)域取獲得了突破性進(jìn)展。

本期小豐整理了3篇GDY及其衍生材料在能源儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究進(jìn)展，一起看下吧~

JACS

氧化石墨炔膜在離子傳輸與能量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

石墨炔（GDY）是一種由sp和sp2雜化碳原子組成的新二維碳同素異形體，因其內(nèi)在的平面內(nèi)通道、獨(dú)特的碳雜化結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)膸?，在?gòu)建納米流體膜方面顯示出廣闊的應(yīng)用潛力。

2025年3月19日，期刊Journal of the American Chemical Society報(bào)道研究人員使用HEB-TMS單體在銅表面合成石墨炔膜，然后以硝酸作為氧化劑，將石墨炔膜功能化為GDYO膜后，從銅基底上剝離并轉(zhuǎn)移到各種基底上。

測(cè)試結(jié)果顯示，GDYO膜對(duì)濃度差異驅(qū)動(dòng)的選擇性離子滲透具有敏感性。在模擬海水和河水條件下，與未處理的GDY膜相比，GDYO膜的滲透發(fā)電性能顯著提升，最大功率密度達(dá)到約6.09Wm-2，高于原始GDY膜的2.67Wm-2。降低膜的厚度，輸出功率可提高至9.2Wm-2。此外，GDYO膜在不同pH值和電解液溶液中還表現(xiàn)出環(huán)境適應(yīng)性的能量轉(zhuǎn)換性能。

該項(xiàng)工作繼續(xù)研究了GDYO膜在光照下的離子泵送行為。在光照過(guò)程中，可以觀察到同步且穩(wěn)定的電流響應(yīng)。這是由于光照產(chǎn)生的電位差導(dǎo)致單向陽(yáng)離子遷移，從而在外電路中產(chǎn)生電流。通過(guò)改變光照方向，可以觀察到反向電流。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，光致離子電流與光強(qiáng)相關(guān)，光強(qiáng)越高，離子泵送越強(qiáng)。

這項(xiàng)工作不僅展示了GDYO在太陽(yáng)能滲透能轉(zhuǎn)換中的潛力，還為下一代納米流體新材料的探索提供了分子層面的理解。

文獻(xiàn)名稱：Light-Boosted Osmotic Energy Conversion and Ion Pumping through a Graphdiyne Oxide-Based Membrane

AngewAA

堆疊氫取代石墨炔用于增強(qiáng)鋰存儲(chǔ)

石墨炔被認(rèn)為是極具吸引力的鋰離子電池（LIB）負(fù)極材料。然而，傳統(tǒng)異相催化合成的GDY通常呈現(xiàn)無(wú)序堆疊，這在有效縮短鋰擴(kuò)散路徑和加速鋰擴(kuò)散速度方面仍有很大的提升空間。

2025年1月20日，期刊Angew報(bào)道研究人員通過(guò)綠色、簡(jiǎn)單的醇熱法合成了高度有序的AA堆疊氫取代石墨炔（HsGDY），并將其應(yīng)用于高性能鋰離子電池。

受均相催化體系中長(zhǎng)程有序共價(jià)有機(jī)框架（COF）的溶劑熱合成啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一種醇熱法制備結(jié)晶HsGDY。在乙酸銅一水合物（Cu(OAc)2·H2O）的均相催化體系中，并通過(guò)密度泛函理論（DFT）驗(yàn)證，三乙炔基苯（TEB）偶聯(lián)形成具有六邊形孔的規(guī)則HsGDY環(huán)狀結(jié)構(gòu)。隨后，更多的TEB分子參與偶聯(lián)反應(yīng)，連續(xù)生長(zhǎng)為HsGDY納米片。最終，在HsGDY納米片層間強(qiáng)π-π相互作用的驅(qū)動(dòng)下，形成了層間相互作用更強(qiáng)的AA堆疊HsGDY有序結(jié)構(gòu)。

高度有序的HsGDY結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了良好的孔通道，使其能夠快速轉(zhuǎn)移。DFT理論模擬計(jì)算表明，與任意堆疊相比，AA堆疊結(jié)構(gòu)能夠顯著降低鋰離子吸附能壘，展現(xiàn)出更強(qiáng)的吸附能力，從而提升電化學(xué)性能。作為鋰離子電池負(fù)極材料，AA堆疊HsGDY表現(xiàn)出1040mAhg-1的可逆容量，是商業(yè)化石墨負(fù)極材料的3倍，也是目前性能最強(qiáng)的GDY基電極材料之一。

這種晶態(tài)有序的AA堆疊HsGDY結(jié)構(gòu)在鋰離子電池應(yīng)用中展現(xiàn)出高比容量、優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，為未來(lái)高性能GDY基電極材料的合成及鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用提供了新的方向。

文獻(xiàn)名稱：AA-Stacked Hydrogen-Substituted Graphdiyne for Enhanced Lithium Storage

Advanced Materials

鋁配位讓氟代石墨炔濕氣電池性能提升

近年來(lái)濕氣發(fā)電研究發(fā)展迅猛。氟代石墨炔是一種石墨炔的新型衍生物，氟原子的加入拓展了分子通道，增強(qiáng)了濕氣生成載流子的傳輸性能。而且，氟原子作為強(qiáng)極性“硬堿”，能與鋁離子等硬酸形成穩(wěn)定配位，有望提高離子導(dǎo)電性和遷移能力，使氟代石墨炔成為濕氣發(fā)電領(lǐng)域極具潛力的材料 。

2025年3月11日，期刊Advanced Materials報(bào)道研究人員開發(fā)了一種基于鋁離子-氟配位的氟代石墨炔鋁離子濕氣電池（FGDY AlMC）。這一新型濕氣電池具有超高的質(zhì)量比功率密度（371.36 μWg-1）、穩(wěn)定的電壓輸出（0.65V，持續(xù)15小時(shí)），能夠在多種濕度環(huán)境下穩(wěn)定工作。

在該項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)水熱合成法，原位將FGDY薄膜生長(zhǎng)在商用GFD基底上，然后將FGDY薄膜組裝成FGDY AlMC濕氣電池，并通過(guò)多孔鋁電極和鉬電極進(jìn)行連接。

水接觸角測(cè)試表明，F(xiàn)GDY具有極強(qiáng)的親水性，極大促進(jìn)了水分子的吸附，從而提高了濕氣發(fā)電效率。電池的輸出電壓為0.65V，電流密度可達(dá)65 μAcm-2，并在90%相對(duì)濕度下穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，F(xiàn)GDY AlMC在超過(guò)15小時(shí)內(nèi)維持了穩(wěn)定的電性能，電壓波動(dòng)極小。

FGDY AlMC的工作機(jī)制揭示了鋁電極在潮濕環(huán)境中通過(guò)水分滲透而氧化，生成鋁離子，這些鋁離子隨后遷移至鉬電極。氟原子作為硬堿，與鋁離子進(jìn)行配位，顯著增強(qiáng)了FGDY的導(dǎo)電性，并加速了鋁離子的遷移。FGDY AlMC展現(xiàn)了出色的電性能穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，在多次彎曲和長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)測(cè)試后，電池仍保持穩(wěn)定輸出。

通過(guò)串聯(lián)多個(gè)FGDY AlMC單元，可以進(jìn)一步提高電壓輸出，且成功為L(zhǎng)ED燈和電容器充電，展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣闊前景。該裝置的集成性高，能夠在潮濕環(huán)境中為電子設(shè)備供電，甚至可作為可穿戴技術(shù)的電源，具有巨大的應(yīng)用潛力。

文獻(xiàn)名稱：Enhancing the Performance of Fluorinated Graphdiyne Moisture Cells via Hard Acid-Base Coordination of Aluminum Ions

石墨炔材料推薦

XFY01

石墨炔粉末

狀態(tài)：黑色粉末

結(jié)構(gòu)類型：石墨雙炔

XFY05

氧化石墨炔粉末

狀態(tài)：黑色粉末

片徑：50-80 nm

XFY04

石墨炔膜

厚度 : 300-500 nm

基底：銅（Cu）厚度約100微米

XFY06

三氮摻雜石墨炔

片徑：50-200 nm

狀態(tài)：棕黑色粉末

氮含量：13.04at%