说明：本文华算科技介绍了石墨炔（GDY）在计算化学中的研究方向与应用前景。通过DFT、GW/TDDFT、NEB、MD/AIMD与GCMC等方法，可探讨其电子结构、缺陷与掺杂效应、吸附与催化机理以及在电化学与分离膜中的动力学行为。文中并给出建模与方法选择的实用建议，便于将理论预测用于材料设计与实验验证。
石墨炔（graphdiyne，简称GDY）是一种由炔键连接的二维碳网络，既不同于石墨烯的全sp²结构，也带来了更大的孔隙和可调的电子结构。
它的六角单元由苯环通过二炔链连接，产生规则的孔道和丰富的化学反应位点。下图展示了结合实验与DFT计算，展示了以硅藻土为模板合成的三维石墨炔多孔结构，包括HRTEM图像与理论模拟的堆叠模型对比图。
DOI: 10.1002/adma.201800548
对初学者来说，可以把GDY想象成“带洞的原子级网格”，既保持导电性又拥有更高的化学可塑性。
计算化学可以从原子和电子层面揭示GDY的诸多潜能：从能带结构、缺陷与掺杂对电子输运的影响，到气体与离子的吸附/扩散行为，再到在电催化、电池和分离膜中的应用机制。理论模拟不仅能解释实验现象，还能在合成前筛选出最有希望的改性策略，显著加速材料研发。
在电子结构层面，密度泛函理论（DFT）是研究GDY的首选工具，它能计算出带隙（或半金属性）、态密度和费米面位置，判断其在电子器件或光电应用中的适配性。
若需要更精确的激发态性质，可进一步用GW或TDDFT评估激子绑定能与吸收谱。GDY的孔道和炔键使其对掺杂和缺陷极为敏感：用DFT可预测某种金属或非金属掺杂是否能引入局域态、提高载流子浓度或增强催化活性；同时通过Bader电荷分析和电荷密度差图可以量化电子转移与活性中心的形成。
下图显示了石墨炔/LiCoO₂异质结的电荷密度差图。黄色区域（电子积累）集中在石墨炔的C₂原子附近，蓝色区域（电子耗散）出现在LiCoO₂的Co和Li原子周围，表明电子从LiCoO₂向石墨炔转移。
DOI: 10.1039/c8ta02277a
对催化和电化学应用，计算吸附能、反应能垒和过渡态（使用NEB等方法）能揭示反应机理；对离子储存或传输（如锂、钠、钾电池），可计算嵌入能和扩散路径，结合分子动力学（MD/AIMD）分析温度与动力学稳定性，从而预测材料的可行性和循环性能。
除了静态电子结构，GDY的实际应用常涉及界面和动态过程：例如在电极—电解液界面上，GDY的孔道会改变溶剂化壳和离子分布，影响双电层与交换电阻，这些可以通过QM/MM、AIMD或经典MD来模拟。
若研究气体分离或分子筛，Grand Canonical Monte Carlo（GCMC）结合MD能给出吸附等温线和穿透率。
下图展示了使用恒电势分子动力学模拟研究不同堆叠结构HsGDY孔内的离子微观结构，堆叠方式对孔内离子分布具有显著的影响，例如，在沿着孔轴方向，AA堆叠HsGDY孔内离子都分布在石墨炔电极的原子层之间；而AB堆叠孔内的离子主要待在石墨炔原子层上。
DOI:10.1002/adma.202301118
建模时有几点实用建议：
1、构建合适的超胞以避免孔道与周期像重叠产生假象；选择含色散校正的泛函（如D3或vdW-DF）以准确描述弱相互作用；
2、对掺杂或缺陷体系注意体系电荷与自旋极化设置，并做尺寸收敛性测试；当比较不同方法时，用高精度波函数方法或实验数据对关键能量进行校准。
对初学者建议先从规范化的能带与吸附能计算入手，逐步学习动力学模拟与界面建模。总之，计算化学能把GDY从“有趣的结构”变成“可设计的功能材料”，为实验合成与器件集成提供明确、可验证的理论路线。
GDY作为新型二维碳材料，兼具导电性、孔隙性与化学可调性，因而在能量存储、催化、分离与传感领域展现广阔前景。
计算化学为理解和优化GDY提供了从电子到宏观的多尺度工具：
DFT及其改进方法解析能带与缺陷态，
能量与过渡态搜索揭示催化路径，
MD/AIMD与GCMC再现动力学与吸附行为，
QM/MM与界面模型用于接近真实工作条件的仿真。
建模实践应关注色散修正、超胞与k点收敛、电荷与自旋设置以及与高精度方法或实验数据的交叉验证。对初学者建议循序渐进，从能带和吸附能起步，逐步掌握动力学与界面模拟技能，最后结合高通量和数据驱动方法加速候选材料筛选。通过理论与实验的紧密配合，GDY有望被定向设计并应用于实际器件中。
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