氮空位/氰基修饰石墨相氮化碳锚定多硫化物的第一性原理研究及其在锂硫电池中的催化转化机制

本文通过密度泛函理论(DFT)系统研究了氰基修饰(gCN-Cyan)、氮空位(gCN-NV)及双缺陷(gCN-DD)改性石墨相氮化碳(g-C3N4)对多硫化物(Li2Sn)的锚定机制。研究发现gCN-NV具有最优导电性(带隙1.109 eV)和最强吸附能(-3.83～-1.8 eV)，其Li-N键形成能有效抑制"穿梭效应"，且Li+扩散能垒最低(0.61 eV)，为设计高性能锂硫(Li-S)电池宿主材料提供理论依据。

　　

Highlight

氮空位修饰的gCN-NV材料展现出卓越的"吸附-催化"协同效应：其独特的电子结构使带隙降至1.109 eV，对多硫化物的吸附能(-3.83～-1.8 eV)显著优于其他改性体系。Li₂S₄吸附后形成的Li-N键如同"分子锁"牢牢锚定可溶性多硫化物，而0.61 eV的Li⁺扩散能垒则创下四类材料中的最低记录。

Structural characterization

通过系统分析八种可能的氮空位构型，发现gCN-DD-6具有最低形成能。有趣的是，氮空位的引入如同在半导体中"凿开电子高速公路"，使电荷密度分布明显局域化，而氰基修饰则产生相反的"电子堤坝"效应。

Conclusions and outlook

本研究揭示缺陷工程可精准调控g-C₃N₄的"电子结构-吸附性能-催化活性"三重特性。特别值得注意的是，gCN-NV将Li₂S分解能垒降至2.00 eV，同时使Li₂S₂迁移能垒降低到1.49 eV，这种"双低"特性使其成为打破锂硫电池性能瓶颈的潜力材料。未来研究可进一步探索其他缺陷类型（如硫空位）与氮空位的协同效应。