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JACS、Adv. Mater.等??報道石墨炔最新研究進展！

先豐納米 2025-04-02 | 閱讀：2029

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石墨炔（Graphdiyne ，GDY）是一種很有前途的碳同素異形體，在各個學科中都引起了極大的興趣。作為一種新興的能量轉換材料，GDY表現出區別于傳統碳材料的獨特結構和性能，在快充電池、氫能轉換等應用中均取得了不錯的進展。

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

本期小豐整理了3篇GDY及其衍生材料在能源儲能領域的研究進展，一起看下吧~

JACS

氧化石墨炔膜在離子傳輸與能量轉換中的應用

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，因其內在的平面內通道、獨特的碳雜化結構和適當的帶隙，在構建納米流體膜方面顯示出廣闊的應用潛力。

2025年3月19日，期刊Journal of the American Chemical Society報道研究人員使用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移到各種基底上。

測試結果顯示，GDYO膜對濃度差異驅動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膜的滲透發電性能顯著提升，最大功率密度達到約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出環境適應性的能量轉換性能。

該項工作繼續研究了GDYO膜在光照下的離子泵送行為。在光照過程中，可以觀察到同步且穩定的電流響應。這是由于光照產生的電位差導致單向陽離子遷移，從而在外電路中產生電流。通過改變光照方向，可以觀察到反向電流。進一步的研究發現，光致離子電流與光強相關，光強越高，離子泵送越強。

這項工作不僅展示了GDYO在太陽能滲透能轉換中的潛力，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鋰存儲

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

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

受均相催化體系中長程有序共價有機框架（COF）的溶劑熱合成啟發，研究人員開發了一種醇熱法制備結晶HsGDY。在乙酸銅一水合物（Cu(OAc)2·H2O）的均相催化體系中，并通過密度泛函理論（DFT）驗證，三乙炔基苯（TEB）偶聯形成具有六邊形孔的規則HsGDY環狀結構。隨后，更多的TEB分子參與偶聯反應，連續生長為HsGDY納米片。最終，在HsGDY納米片層間強π-π相互作用的驅動下，形成了層間相互作用更強的AA堆疊HsGDY有序結構。

高度有序的HsGDY結構為鋰離子提供了良好的孔通道，使其能夠快速轉移。DFT理論模擬計算表明，與任意堆疊相比，AA堆疊結構能夠顯著降低鋰離子吸附能壘，展現出更強的吸附能力，從而提升電化學性能。作為鋰離子電池負極材料，AA堆疊HsGDY表現出1040mAhg-1的可逆容量，是商業化石墨負極材料的3倍，也是目前性能最強的GDY基電極材料之一。

這種晶態有序的AA堆疊HsGDY結構在鋰離子電池應用中展現出高比容量、優異的倍率性能和良好的循環穩定性，為未來高性能GDY基電極材料的合成及鋰離子電池的實際應用提供了新的方向。

文獻名稱：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

近年來濕氣發電研究發展迅猛。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，增強了濕氣生成載流子的傳輸性能。而且，氟原子作為強極性“硬堿”，能與鋁離子等硬酸形成穩定配位，有望提高離子導電性和遷移能力，使氟代石墨炔成為濕氣發電領域極具潛力的材料。

2025年3月11日，期刊Advanced Materials報道研究人員開發了一種基于鋁離子-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量比功率密度（371.36 μWg-1）、穩定的電壓輸出（0.65V，持續15小時），能夠在多種濕度環境下穩定工作。

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

水接觸角測試表明，FGDY具有極強的親水性，極大促進了水分子的吸附，從而提高了濕氣發電效率。電池的輸出電壓為0.65V，電流密度可達65 μAcm-2，并在90%相對濕度下穩定運行。通過長期穩定性測試，FGDY AlMC在超過15小時內維持了穩定的電性能，電壓波動極小。

FGDY AlMC的工作機制揭示了鋁電極在潮濕環境中通過水分滲透而氧化，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，與鋁離子進行配位，顯著增強了FGDY的導電性，并加速了鋁離子的遷移。FGDY AlMC展現了出色的電性能穩定性和可擴展性，在多次彎曲和長時間循環測試后，電池仍保持穩定輸出。

通過串聯多個FGDY AlMC單元，可以進一步提高電壓輸出，且成功為LED燈和電容器充電，展示了其在實際應用中的廣闊前景。該裝置的集成性高，能夠在潮濕環境中為電子設備供電，甚至可作為可穿戴技術的電源，具有巨大的應用潛力。

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

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