石墨炔（Graphdiyne, GDY）是一种新型的全碳同素异形体，由sp²和sp杂化的碳原子共同构成，形成了独特的二维多孔晶格结构。

• 天然的直接带隙半导体: 这是石墨炔最核心、最重要的特性，也是其与零带隙的石墨烯最本质的区别。由于其晶格中引入了乙炔键（-C≡C-），破坏了石墨烯的狄拉克锥电子结构，从而使其天然地打开了一个直接带隙（理论值约0.46 eV）。这一特性使其在无需复杂带隙工程的情况下，可以直接应用于制造晶体管等逻辑电子器件。
• 高度规整的纳米孔洞: 石墨炔的二维晶格中天然存在着尺寸高度均一的亚纳米级孔洞。这种多孔结构使其具有极高的比表面积，并为离子和分子的快速传输提供了通道，是其在储能和膜分离领域应用的基础。
• 优异的电荷传输能力: 尽管具有带隙，石墨炔的π共轭体系仍然保证了其具有极高的载流子迁移率（理论值可达10⁵ cm²/Vs），远超硅等传统半导体。
• 高化学反应活性: 其晶格中的乙炔键是高活性的化学反应位点，使得石墨炔比化学性质惰性的石墨烯更容易进行化学功能化。

对于石墨炔，其性能调控的主要手段是通过杂原子掺杂来调控其电子结构和催化活性，或利用其乙炔键进行化学功能化。

目标: 将非碳元素（如N, B）共价地掺入石墨炔的晶格中，以精细调控其电学和催化性能。

• 氮（N）掺杂: 通过使用含氮的有机小分子作为合成单体，可以将N原子以吡啶N、吡咯N等多种形式掺入。N掺杂可以：
  • 调控能带结构: N的引入可以有效地调控石墨炔的带隙大小和费米能级。
  • 引入催化活性: N掺杂的石墨炔是性能优异的无金属电催化剂，特别是在氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）中。

目标: 利用石墨炔晶格中高活性的乙炔键，进行高效、位点选择性的化学修饰。

• 点击化学 (Click Chemistry): 石墨炔的乙炔键是天然的反应手柄，可以高效地参与铜（I）催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC）。这为将各种功能分子（如生物分子、药物、聚合物）精确地“点击”到石墨炔骨架上提供了一条极其高效和高选择性的途径。

石墨炔凭借其天然的半导体特性、巨大的比表面积、规整的孔道和丰富的活性位点，在电催化和光催化领域是一种极具潜力的无金属催化剂。

这是石墨炔最重要的催化应用，旨在替代昂贵的铂族金属催化剂。

• 析氢反应 (HER): 石墨炔的sp杂化碳原子和规整的孔道结构，被证明是高效的HER活性位点，特别是在碱性或中性介质中，其性能甚至可以媲美商业铂碳催化剂。
• 析氧反应 (OER): 通过与过渡金属（如Co, Ni）的单原子或纳米颗粒复合，石墨炔可以作为一种优异的载体，构建出高性能的OER催化剂。
• 氧还原反应 (ORR): 氮掺杂的石墨炔是性能优异的无金属ORR电催化剂。

• 光催化分解水: 作为一种直接带隙半导体，石墨炔在光照下可以产生电子-空穴对。其合适的带边位置使其在理论上可以同时驱动水的氧化（产氧）和还原（产氢），是一种极具潜力的全解水光催化剂。

石墨炔（GDY）独特的半导体特性和巨大的比表面积，使其在生物传感领域具有巨大的应用潜力。

• 电化学生物传感:
  • 原理: 石墨炔修饰的电极具有巨大的电化学活性表面积和优异的电子传输能力，可以固定大量的生物识别分子（如酶、抗体），并快速传递生物识别事件产生的电子信号，从而显著放大信号，提高传感器的灵敏度。
• 场效应晶体管（FET）传感器:
  • 原理: 将石墨炔作为导电沟道，构建FET器件。当带电的生物分子（如DNA、蛋白质）吸附到其表面时，会像一个“顶栅”一样，通过场效应调制石墨炔沟道的电导率。
  • 优势: 石墨炔的二维结构和半导体特性使其对表面吸附的分子极其敏感，可以实现无标记、实时检测。

石墨炔（GDY）因其巨大的比表面积和独特的半导体特性，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出了一定的应用潜力。

GDY的二维平面结构和表面化学使其成为一种理想的药物递送平台。

• 高载药量: GDY巨大的比表面积，使其能够通过π-π堆积或共价键，高效负载化疗药物（特别是具有芳香环的药物，如阿霉素DOX）。

• 光动力学治疗 (PDT): 作为一种半导体，石墨炔在光照下可以产生电子-空穴对，进而将能量传递给氧气，产生具有强细胞毒性的单线态氧（¹O₂），用于选择性地杀死癌细胞。
• 光热治疗 (PTT): 石墨炔在近红外（NIR）光区具有宽谱的吸收，可以作为一种高效的光热治疗剂，在近红外光照射下产热烧蚀肿瘤。

石墨炔（GDY）作为一种新型的全碳纳米材料，其生物安全性是其应用前必须仔细评估的关键问题。目前的研究尚处于初级阶段。

• 氧化应激: 与其它碳纳米材料类似，石墨炔进入细胞后，也可能诱导产生大量的活性氧（ROS），引发氧化应激，导致线粒体损伤和细胞凋亡。
• 物理损伤: 大尺寸、边缘锋利的石墨炔片可能会像“纳米刀片”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性。
• 生物持久性: 石墨炔的骨架极其稳定，在生理条件下被认为不可生物降解或降解极其缓慢。其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，是其走向临床应用前必须解决的关键问题。

尽管石墨炔由生物相容的碳元素构成，但其纳米形态的长期生物安全性仍需要大量、系统的研究来证实。通过表面修饰（如PEG化）来提高其生物相容性是必要的步骤。

与可以通过“自上而下”剥离法制备的石墨烯不同，石墨炔的合成完全依赖于精巧的“自下而上”的有机化学合成策略。

这是目前制备高质量、大面积石墨炔薄膜的唯一可行的方法。

• 原理:
  1. 单体制备: 首先，通过多步有机合成，制备出含有多个末端炔基的芳香族分子作为“结构单元”（Monomer），最常用的是六乙炔基苯（Hexaethynylbenzene, HEB）。
  2. 表面自组装: 在超高真空条件下，将单体分子通过热蒸发的方式，沉积到一个具有催化活性的金属单晶表面（最常用的是铜箔 Cu(111)）。在一定温度下，这些单体分子会在金属表面自组装成有序的二维阵列。
  3. 表面催化聚合: 进一步升高温度，金属表面会催化单体分子末端的炔基之间发生偶联反应（如Glaser-Hay偶联），将独立的单体分子“缝合”起来，形成一张完整的、大面积的二维石墨炔网络。
• 挑战: 这种方法的条件极其苛刻（超高真空、单晶基底），且产物难以被无损地从金属基底上转移下来。实现石墨炔的低成本、大规模、可转移的制备，是该领域面临的最大挑战。

对石墨炔（GDY）的精确表征是确认其独特的sp-sp²杂化碳骨架和二维多孔结构的关键。

• 扫描隧道显微镜 (STM) / 非接触式原子力显微镜 (nc-AFM): 这是鉴定石墨炔原子级精确结构的金标准技术。在超高真空条件下，STM/AFM可以直接对生长在基底上的石墨炔进行成像，清晰地分辨出其六边形的苯环和链状的乙炔键，并确认其规整的孔道结构。
• 拉曼光谱 (Raman) 和 红外光谱 (FTIR): 这是鉴定石墨炔化学键的关键“指纹”证据。其光谱必须同时包含：
  • 代表sp²碳振动的G峰（~1580 cm⁻¹）和D峰（~1350 cm⁻¹）。
  • 代表sp碳（-C≡C-）振动的、极其尖锐的特征峰（拉曼谱中~1900-2200 cm⁻¹, 红外谱中~2100-2200 cm⁻¹）。这个峰的存在是石墨炔区别于石墨烯的直接证据。
• X射线光电子能谱 (XPS): 通过分析C 1s的高分辨谱，可以精确地区分和定量其结构中sp²碳和sp碳的相对含量。

石墨炔的表面工程是其实现高级应用的关键，其核心是利用其独特的乙炔键进行高效、位点选择性的功能化。

核心优势: 石墨炔骨架中的乙炔键是天然的、高活性的化学反应手柄，这使得其功能化比化学惰性的石墨烯基面更容易、更高效。

• 点击化学 (Click Chemistry):
  • 原理: 石墨炔的乙炔键可以高效地参与铜（I）催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC）或无催化剂的应变促进的叠氮-炔环加成反应（SPAAC）。
  • 应用: 这为将各种功能分子（如生物分子、药物、聚合物、荧光染料）精确地“点击”到石墨炔骨架上提供了一条极其高效和高选择性的途径，是其生物医学应用和传感器构建的基础。
• 其它加成反应: 乙炔键还可以参与Diels-Alder反应、氢化反应等多种有机加成反应。

• π-π堆积: 石墨炔的苯环区域可以与具有大π共轭体系的芳香族分子发生强烈的π-π堆积作用，用于负载药物或其它功能分子。