由 sp² 苯环与 sp 二炔桥连成的二维碳材料。
2010 年，中国科学院化学研究所李玉良院士团队首次报道在铜箔上制得约 3.61 cm² 的连续石墨炔薄膜。此后，研究扩展到结构表征、催化、储能、光电、分离和柔性器件。
01 · 碳的 440 年
从 1564 年的石墨到 2004 年的石墨烯，四百四十年；2010 年起，故事由中国人续写
sp³
碳原子四面体相连，构成坚硬晶体。
四面体键角 109.5°
sp²
层间范德华力较弱，碳层容易滑移。
1564 · 英国博罗代尔石墨矿开采（石墨进入人类工艺）
AB 堆叠 3.35 Å 层间距
sp²
六十个碳原子围成一个球。
12 个五边形 · 20 个六边形
sp²
蜂窝碳层卷成中空的管。
单壁扶手椅模型 (10,10)；1991 年首次报道的是多壁管
sp²
只有一个原子厚的碳。
单层蜂窝 1.42 Å 碳—碳键
sp + sp²
两种杂化并存 · 中国
苯环以二炔桥相连，留下规则三角孔。
苯环 · 直线二炔桥 · 三角孔
碳的形态，沿时间展开。继续滚动 ↓
六个碳原子组成一个环，再向六个方向连接。
四个 sp 碳排成短桥，把相邻的苯环接起来。
规则的孔道，来自环与桥共同构成的理想 γ-GDY 拓扑。
石墨炔的骨架里，单键与叁键交替排列（形式键级 1–3–1–3–1）。sp 与 sp² 两种碳共存于同一套骨架——金刚石（sp³）、石墨与石墨烯（sp²）都没有这样的排列。李玉良院士的说法是：碳科学的发展不能只停留在对 sp² 碳的理解。
这样的排列带来三件事：表面电荷不均匀、二π键效应，以及多空洞空间限域与金属原子间的非整数电荷转移——正是它们改变了传统碳材料的性质。在理想 γ-GDY 结构里，苯环由二炔桥连接，计算与实验都给出非零带隙，具体数值随结构与测量方法而变（Carbon 2017 · DOI 10.1016/j.carbon.2017.07.037）。看铜箔合成的概念动画 ↗
石墨炔能同时调控这六种粒子的行为，这是它横跨催化、储能、光电与生命科学的原因。
| 对比项 | 石墨烯（理想本征） | 石墨炔（理想 γ-GDY） |
|---|---|---|
| 碳的杂化 | 全部 sp² | sp + sp² 共存 |
| 带隙 | 理想本征下零带隙（半金属） | 理论预测非零直接带隙（半导体特性） |
| 孔道 | 理想拓扑中无孔 | 理想拓扑含三角形 18 元环孔单元 |
| 表面电荷 | 理想模型下均匀 | 不均匀，能锚定单个金属原子 |
| 诞生 | 2004 · 物理剥离（英国） | 2010 · 化学合成（中国） |
合成 · 2010
铜箔既是衬底，也是催化剂。六乙炔基苯落在它表面，末端的炔碳两两相接，长成约 3.61 cm² 的连续薄膜。
六乙炔基苯的苯环上连着六个乙炔基，末端炔碳参与偶联。铜箔既是衬底，也是催化剂。
末端炔碳两两偶联，接成 –C≡C–C≡C– 二炔桥。每三个苯环围出一个三角形的 18 元环孔道。
苯环通过二炔桥连接，构成带有规则孔道的二维单层。2010 年报道的是铜箔上的多层石墨炔薄膜。
少层石墨炔由多层碳骨架堆叠而成。层间距在此放大，以便观察。
真实薄膜中，各层的相对位置存在差异，局部起伏也很常见。层间差异与起伏在此放大，以便分辨。
理想 γ-GDY 结构示意；层数、层距与起伏为便于观察而设。
理想 γ-GDY 结构示意；层数、层距与起伏为便于观察而设。
Li et al. Chem. Commun. 2010, 46, 3256 · DOI 10.1039/B922733D
全屏自由浏览 按住拖动，环视这片薄膜
三十八年，十二个节点：从纸上预言到铜箔薄膜，再到今天的应用。
沿着碳链向前，阅读每一次进展。
2026 年，Advanced Materials 发表综述《新兴电化学能量转换材料：石墨炔》，系统梳理了它在能量转换中的进展。大面积一致性、缺陷控制与器件放大，是这个领域正在回答的问题。
Adv. Mater. 2026 · DOI 10.1002/adma.202600027
1987 年，Baughman 等人在计算中预言了一类同时含 sp 与 sp² 碳的平面碳材料——石墨炔第一次以「假想」出现。此后二十多年，它一直停留在理论里。
Baughman, Eckhardt, Kertesz. J. Chem. Phys. 1987, 87, 6687 · DOI 10.1063/1.453405
1998 年，李玉良院士决定不再跟在别人后面，做一种中国人自己的碳材料。此后十多年里传统方法一次次失败——他后来说，科研中没有「失败」，只有探索和教训。
《中国科学报》2024-03-28《十年耕耘，做中国人自己的碳材料》 原文 ↗
以铜箔为衬底和催化剂，六乙炔基苯在其表面偶联，长出约 3.61 cm² 的连续薄膜——石墨炔第一次被真正做出来，并以汉语命名。它是碳家族里第一种用化学合成方法得到的全碳材料。
Li et al. Chem. Commun. 2010, 46, 3256 · DOI 10.1039/B922733D
理论工作陆续给出石墨炔的电子结构：GW/BSE 计算得到带隙与强激子并与吸收光谱对照，另有计算预测它有较高的电子迁移率。石墨炔作为半导体材料的理论基础由此确立。
Phys. Rev. B 2011, 84, 075439 · DOI 10.1103/PhysRevB.84.075439；ACS Nano 2011 · DOI 10.1021/nn102472s
石墨炔的层数与形貌开始可以控制，物性表征表明它是带隙随层数变化的半导体。
李玉良院士 2026 年学术报告
多层石墨炔第一次被用作锂离子电池负极，完成了容量与循环测试。石墨炔的储能研究由此展开。
Nano Energy 2015, 11, 481 · DOI 10.1016/j.nanoen.2014.11.036
「二π键」理论指出：炔键能稳稳抓住单个零价金属原子。Ni⁰/GDY 与 Fe⁰/GDY 相继做出并用于析氢——单原子催化的大门由此打开。
Nat. Commun. 2018, 9, 1460 · DOI 10.1038/s41467-018-03896-4
炔键与烯键之间的可逆转换被用来驱动整片碳膜弯曲，做成了电化学致动器——把化学键的变化放大成看得见的运动。后来的石墨炔人造肌肉沿着这条路走来。
Nat. Commun. 2018, 9, 752 · DOI 10.1038/s41467-018-03095-1
Mo⁰/GDY 在常温常压下电催化合成氨，建立起石墨炔基原子催化体系。2021 年，Pd⁰/GDY 把氨产率做到 4.45 mg(NH₃) mgPd⁻¹ h⁻¹、选择性 100%。
J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 10677 · DOI 10.1021/jacs.9b03004；Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa213 · DOI 10.1093/nsr/nwaa213
Rh/GDY 在碱性模拟海水中以 65 mV 过电位实现 1000 mA cm⁻² 的大电流析氢；2024 年，单原子层 Os/GDY 把这一数字降到 56 mV。
Nat. Commun. 2022, 13, 5227 · DOI 10.1038/s41467-022-32937-2；J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 10573 · DOI 10.1021/jacs.4c00027
「炔–烯互变」改写了储能机制：6C 倍率快充的锂离子电池、能感知光与湿度的固态镁–水汽电池、直接用太阳能充电的锌–空气电池先后做了出来。
Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202113313 · DOI 10.1002/anie.202113313；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 2759 · DOI 10.1021/jacs.2c11409；PNAS 2024, 121, e2318777121 · DOI 10.1073/pnas.2318777121
电子束辐照实现了石墨炔的高产率直接合成——一种全新的非平衡态制备方法。从 1998 年到 2025 年，做出石墨炔的路一直在变短。
Adv. Mater. 2025, 37, 2506979 · DOI 10.1002/adma.2025069792010 年，他们在铜箔上长出第一片石墨炔；如今，这种碳走进了六十多个国家的实验室。
一群人，近三十年，把一个设想做成一个领域。
李玉良院士在实验室指导学生 · 中国科学报 2024 报道来源 ↗
围绕结构、合成与应用的问题，研究从这里持续向更广的领域展开。
阅读首次合成论文荣誉、任职与获奖年份据中国科学院化学研究所「李玉良院士简介」（2023-07-25）↗
从原子的反应，到器件的响应。
01分散的钯原子与邻近炔碳相互作用，形成催化活性位点。
02在 GDY 负极中，锂离子穿孔后进入层间；充电时嵌入，放电时返回。
03丙酮进入后，局部炔–烯键转换与膜两面的不对称响应使碳膜向一侧弯曲；丙酮离开后回直。
04在 SWNT@GDY 器件中，光响应与局部存储相结合。
05多层膜的贯穿孔让氢、氦等轻气体通过；氙等重气体在孔壁吸附，流量受到抑制。
06氧化石墨炔表面的含氧基团参与界面作用，可与特定蛋白相互作用。
如何让原子成为反应的活性位点？
分散的钯原子与邻近炔碳相互作用，形成催化活性位点。
单原子与复合催化剂Pd⁰/GDY 在中性介质中常温常压电催化制氨，产率 4.45 mg(NH₃) mgPd⁻¹ h⁻¹、选择性 100%。
National Science Review 2021 ↗RuOₓ/GDY 阳极的 PEM 电解槽在 1.47 V 下达到 1000 mA cm⁻²，论文估算制氢成本约 0.78 美元/kg。
National Science Review 2025 ↗沿同一条思路，Ni、Fe、Mo、Pd、Os、Cu、Ru、Er、Ir 的零价原子体系相继做了出来。
石墨炔怎样参与能量的存与取？
在 GDY 负极中，锂离子穿孔后进入层间；充电时嵌入，放电时返回。
GDY 电极与 N-GDY 衍生物围绕炔–烯互变的储能机制，已有十余种电池体系被做了出来。
分子结构的变化，能否变成可见的运动？
丙酮进入后，局部炔–烯键转换与膜两面的不对称响应使碳膜向一侧弯曲；丙酮离开后回直。
GDY 膜与 HsGDY 衍生物让光、电与离子的响应，成为器件功能。
在 SWNT@GDY 器件中，光响应与局部存储相结合。
复合异质结与 GDYO让不同分子，通过不同的路径。
多层膜的贯穿孔让氢、氦等轻气体通过；氙等重气体在孔壁吸附，流量受到抑制。
GDY 基膜 · 膜实验碳材料能怎样参与生物体系中的研究？
氧化石墨炔表面的含氧基团参与界面作用，可与特定蛋白相互作用。
复合物与氧化衍生物 · 临床前研究两项都是临床前研究。
2010 年，石墨炔在北京的铜箔上首次被合成，并以汉语命名。此后十多年，研究从这里一路铺开。
60+国家与地区500+团队
数据：国家科技图书文献中心（2024）
未来 5–10 年，石墨炔及相关材料将引领若干研究领域的发展和进步。
——李玉良院士 2026 年学术报告
图片来自公开报道，机构与原链接见每张卡片
石墨炔的故事，始于对原创碳材料的长期探索，也由许多研究者共同推进。谨向恩师李玉良院士、最初的合成团队，以及所有参与这一领域的研究者致意。
恩师李玉良院士，教师节快乐。
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