四边-五边-八边形石墨烯（TPO）作为钠离子电池负极材料的DFT与AIMD计算研究

为应对钠离子电池（SIBs）负极材料储钠性能的挑战，研究人员通过密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD）方法，探究了四边-五边-八边形石墨烯（TPO）的储钠特性。结果表明，TPO石墨烯具有781 mAh/g的高理论容量、0.037–0.058 eV的低扩散能垒及0.98 V的平均开路电压（OCV），且300 K下结构稳定，为开发高性能SIBs提供了新思路。

　　

随着化石燃料燃烧导致的温室气体排放加剧，全球对清洁能源存储的需求日益迫切。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉，被视为锂离子电池（LIBs）的潜在替代品。然而，SIBs面临的核心难题是如何找到能高效存储大半径钠离子的负极材料。碳基二维材料因其独特的物理化学性质成为研究热点，但现有材料的容量、扩散动力学或稳定性仍存在局限。

为此，来自King Khalid University的研究团队通过密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD）计算，系统评估了四边-五边-八边形石墨烯（TPO）的储钠性能。研究发现，TPO石墨烯的投影态密度（PDOS）表明钠与宿主间存在非共价相互作用，确保了可逆吸附；攀爬图像（CI-NEB）计算显示钠离子迁移能垒仅为0.037–0.058 eV，远低于同类材料（如氢取代石墨炔的0.22 eV）。理论预测其容量高达781 mAh/g，优于多数二维碳基材料（如α-石墨炔的279 mAh/g），平均开路电压（OCV）0.98 V符合SIBs工作需求。AIMD模拟进一步证实，完全吸附钠的TPO结构在300 K下保持稳定。

关键方法
研究采用QUANTUM ESPRESSO软件进行DFT计算，交换关联泛函选用PBE-GGA，平面波截断能为70 Ry。吸附能、扩散路径和电子结构分析结合DFT-D3修正范德华力；CI-NEB方法计算扩散能垒；AIMD模拟在300 K下验证热稳定性。

研究结果

1. 吸附能：TPO石墨烯的四面体（T）、五边形（P）和八边形（O1/O2）孔隙均为活性位点，吸附能介于-0.83至-1.12 eV，表明适度吸附强度。
2. 电子性质：电荷转移分析（Lowdin电荷和差分电荷密度）显示钠向碳骨架转移0.85–0.92 e^?
   ，PDOS证实金属性保留。
3. 扩散动力学：钠在平面内迁移能垒仅0.037 eV（O1→T路径），优于石墨炔类材料（如T_4,4,4
   -石墨炔的0.56 eV）。
4. 热力学稳定性：不同钠浓度下的内聚能计算与AIMD模拟均表明结构稳定性。

结论与意义
该研究首次揭示了TPO石墨烯作为SIBs负极材料的巨大潜力：高容量、低扩散能垒和适宜电压使其兼具能量密度与快充特性，而热稳定性进一步支持实际应用。相较于现有材料（如M-石墨烯的1395 mAh/g但高成本），TPO石墨烯在性能与资源可获得性间取得平衡，为设计下一代SIBs提供了理论依据。论文发表于《Journal of Molecular Graphics and Modelling》，为后续实验研究指明了方向。