综述：探索纳米铁氧体作为锂离子电池负极材料的前景

本文通过密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了氮空位修饰的石墨相氮化碳(gCN-NV)在锂硫电池中的催化机制。研究表明，gCN-NV通过形成Li-N键增强对多硫化锂(Li2Sn)的锚定能力，其0.61 eV的锂离子扩散能垒和2.00 eV的Li2S分解能垒显著提升了硫转化动力学，为高性能硫宿主材料设计提供了理论依据。

　　

引言

随着全球能源需求激增和环境压力加剧，开发高能量密度储能技术成为当务之急。锂硫(Li-S)电池因其1675 mAh·g^-1的理论比容量和2600 Wh·kg^-1的能量密度备受关注。然而硫的绝缘性、多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应和循环体积膨胀严重制约其应用。石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其独特的平面结构和丰富氮活性位点成为理想硫宿主，但本征导电性差亟待解决。

计算方法和模型

研究采用Materials Studio的CASTEP模块进行DFT计算，使用PBE泛函和Grimme范德华力校正。构建了原始gCN、氰基修饰(gCN-Cyan)、氮空位(gCN-NV)和双缺陷(gCN-DD)四种模型，系统分析其电子结构、吸附性能和反应动力学。

结构表征与电子性质

氮空位引入使gCN-NV带隙降至1.109 eV，导电性显著提升。形成能分析显示gCN-DD-6构型最稳定。差分电荷密度表明gCN-NV中氮空位周围电子局域化增强，有利于LiPSs吸附。

多硫化锂锚定机制

gCN-NV对Li₂S_n和S₈的吸附能(-3.83～-1.8 eV)最强，源于Li-N键的形成。gCN-NV@Li₂S₄体系在室温至高温均保持热力学稳定，Bader电荷分析证实氮空位促进电荷转移。

反应动力学优化

gCN-NV展现最低的Li⁺扩散能垒(0.61 eV)和Li₂S分解能垒(2.00 eV)。自由能计算揭示Li₂S₂→Li₂S步骤为速率控制步骤，而gCN-NV使Li₂S₆→Li₂S₄→Li₂S₂转变的ΔG显著降低。

结论与展望

氮空位工程通过"强吸附-快转化"协同机制提升gCN性能：电子结构优化增强导电性，Li-N键抑制穿梭效应，降低的反应能垒加速硫转化。该研究为缺陷调控策略在储能材料中的应用提供了新思路，未来可结合实验验证其实际电化学性能。