石墨炔（Graphyne/Graphdiyne）是碳基材料中举足轻重、不可或缺的前沿二维材料，由 sp-sp2杂化碳原子构筑而成，近年来在电催化与储能赛道热度持续攀升。其独特的炔键结构赋予材料丰富的电子离域特性、可调能带结构以及天然均一孔道，为电荷传输和离子扩散提供了有利条件。

在电催化领域，石墨炔可作为高效催化载体或直接参与催化反应，广泛应用于析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）及CO2电还原等体系，其丰富的活性位点和优异的导电性能有助于提升催化活性与稳定性。在储能领域，石墨炔凭借高比表面积、快速离子传输通道和良好的结构稳定性，被广泛用于锂离子、钠离子及钾离子电池电极材料研究。

本期小丰整理了3篇石墨炔材料的最新研究进展，一起看下吧~

Nature Sustainability

中空石墨炔多壳层结构助力高比能长寿命锂硫电池

锂硫电池被广泛认为是下一代高比能储能技术的重要候选体系。然而可溶性多硫化锂（LiPS）中间体在正负极之间来回穿梭，导致活性物质流失、库仑效率降低。同时，硫及其放电产物Li2S的绝缘特性，加之缓慢的氧化还原动力学，严重限制了倍率性能。

2026年03月30日，Nature Sustainability期刊报道研究人员创新性地提出了一种空间耦合吸附与催化位点的设计策略，他们通过在具有独特sp-sp2杂化碳骨架的石墨炔中精准引入sp杂化氮，并构筑多壳层中空结构（sp-N GDY HoMS），成功化解了宿主质量与电化学性能之间的根本矛盾。

该设计使硫的负载率高达93.9%，实现了接近理论极限的比容量，所组装的软包电池能量密度达到约457Wh kg-1，为高比能、长寿命锂硫电池的实用化开辟了新路径。

该项工作所解决的核心问题是：稳定性提升不再以牺牲实际能量密度为代价。 在0.2C条件下，sp-N GDY HoMS电极表现出更低的极化和更高的放电平台，显示出更快的硫氧化还原动力学；在0.2C循环100圈后，容量仍保持1014.2mAh g-1。

倍率测试中，该体系在0.2C、0.5C、1C、2C和5C下分别实现1380.7、1115.0、1014.8、941.8和850.6mAh g-1，当倍率恢复至0.2C后，容量可回升至1140.0mAh g-1。更重要的是，在更严格的“硫+HoMS总质量”统计下，该体系仍实现1462mAh g-1的近理论容量，并在10C条件下维持1384.5Wh kg-1的能量密度和600圈稳定循环。

这项工作不仅为高性能、资源节约型锂硫电池的实用化提供了可规模化的蓝图，其“空间耦合功能位点”的设计理念更有望超越锂硫体系，为金属-空气电池、燃料电池等其他下一代能源系统普遍存在的性能权衡难题，提供一种普适性的解决策略。

文献名称：Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium–sulfur batteries

Angew

石墨炔作为氮化碳异质结空穴传输通道用于协同CO2还原与γ-丁内酯合成

太阳能驱动的CO2还原是实现碳中和的关键策略，但其效率受限于氧析出反应的高热力学势垒和缓慢动力学。将CO2固定与有机底物的选择性氧化耦合，既能绕过水氧化的动力学瓶颈，又能将低价值原料升级为高价值化学品。但由于在抑制副反应的同时协调选择性氧化还原转化存在困难，这一策略仍然具有挑战性。

2026年5月17日，期刊Angew报道了一种无金属石墨炔（GDY）/聚合物氮化碳（PCN）异质结(（优化样品记为0.5G-P，GDY负载量0.5wt%），该异质结在CO2还原耦合四氢呋喃氧化为γ-丁内酯的反应中实现了卓越的双功能性能。0.5G-P复合材料在温和光热条件下实现了高选择性，CO产率达55μmol·h-1·g-1且选择性为95%，γ-丁内酯产率为54%且选择性接近100%，分别比热处理后的PCN提高了2.9倍和6.8倍。对比金属助催化剂（Cu、Co、Pt光沉积改性）的实验表明，金属自由的0.5G-P在CO产率和选择性上均优于金属负载体系，且氧化半反应中金属催化剂因非选择性过度氧化导致GBL产率显著降低。

机理研究表明，GDY不仅作为高空穴迁移率（104–105cm2·V-1·s-1）的空穴传输层，产生内建电场驱动电荷载流子的空间分离。其特有的乙炔框架还能特异性吸附和活化THF，引导氧化当量定向进行C─H键官能化，避免GBL过度氧化。同时，GDY替代传统贵金属助催化剂，从根本上消除了金属带来的竞争性析氢和非选择性ROS问题，实现了活性-选择性的解耦。

该工作不仅确立了GDY作为聚合物光催化剂中电荷管理的多功能平台，而且为设计用于协同光氧化还原转化的选择性、原子经济性界面提供了一个通用蓝图。

文献名称：Graphdiyne as a Hole-Transport Channel in Carbon Nitride Heterojunctions for Synergistic CO2 Reduction and γ-Butyrolactone Synthesis

Nature Communications 

新型石墨炔光电极实现多类金属空气电池太阳能直接充电

金属空气电池凭借超高理论能量密度、原材料储量充足、环境友好等突出优势，成为动力电池与长时储能领域重点攻关方向。但该类电池产业化落地仍受制于空气极析氧反应动力学速率偏低的短板，充电阶段过电位居高不下，直接拉低电池能量转化效率，缩短循环服役周期。

2026年6月2日，期刊Nature Communications报道研究人员依托改良Glaser-Hay偶联工艺，在碳布基底原位制备氮取代石墨炔（NGDY）纳米片无金属光电极，并完整完成材料物性、光电特性、电化学性能与微观机理的全维度验证。

团队借助多类微观表征手段确认NGDY具备九层规整堆叠晶体构型，氮元素掺杂拓宽石墨炔原有带隙，让材料转变为n型半导体，可见光吸收与光生电荷分离能力显著优化。依托原位光照谱学测试与DFT理论计算，证实光照能够触发材料内部sp杂化碳向氮位点发生可逆电荷迁移，瞬时生成动态催化活性位点，区别于传统电极固定位点催化模式。

基于此，该电极在多种光耦合金属空气电池中展现出卓越性能。在锌空电池中，光照下充电电压从暗态下的1.96V显著降低至1.33V，低于其理论电压1.65V，能量效率高达96.9%。

在100mA cm-2的高电流密度下，该电池能稳定循环超过230圈。对于锂氧气电池，该策略同样有效，在0.1mA cm-2电流密度下，电压间隙从暗态下的1.81V缩小至0.39V，实现了96.3%的能量效率。此外，该光电极在镁空气、铁空气和铝空气电池中也均能有效降低充电电压，证明了其广泛的适用性。固态柔性锌空电池还可反复弯折使用，负极无锌枝晶析出。

该研究借助氮取代石墨炔材料，依托光照重构碳骨架电子排布的全新思路，从材料设计层面破解了传统金属空气电池依赖贵金属催化剂、充电极化严重两大行业痛点，为无贵金属光电一体化储能器件研发提供新范式。

文献名称：Direct solar energy charging of metal||air batteries enabled by photo-coupled electrodes