应变工程调控硼掺杂g-C3N6光催化性能助力可持续建筑环境修复

为应对建筑环境中复杂污染物治理难题，研究人员通过第一性原理计算构建了硼掺杂g-C3N6/B体系，发现应变调控可显著降低材料带隙至1.533 eV，提升可见光吸收效率及载流子迁移率，为开发高效光催化纳米材料提供了新思路。

　　

随着城市化进程加速，建筑环境中的甲醛、细颗粒物等污染物严重威胁居民健康。传统治理技术存在效率低、二次污染等问题，而基于太阳能的半导体光催化技术因其绿色可持续特性成为研究热点。二维材料石墨相氮化碳(g-C₃N₆)虽具化学稳定性高、比表面积大等优势，但其较宽带隙(2.603 eV)限制了可见光利用效率。如何通过材料改性突破这一瓶颈，成为环境催化领域的关键科学问题。

研究人员采用密度泛函理论(DFT)系统研究了硼原子掺杂与应变调控对g-C₃N₆性能的影响。通过CASTEP软件进行结构优化与性质计算，选用PBE泛函处理电子交换关联作用，并引入DFT-D3校正范德华力。特别关注N2位点掺杂构型的结合能与电子结构变化，在-6%至6%双轴应变范围内分析能带结构、光吸收谱及载流子有效质量等参数。

结构稳定性分析
优化后的g-C₃N₆晶格常数为10.574 ?，与文献值高度吻合。硼掺杂后体系结合能达-7.453 eV，且N2位点掺杂构型变形程度最小，证实其热力学稳定性。掺杂引起局部电荷重分布，碳原子电子云密度显著增加。

电子特性调控
本征g-C₃N₆为间接带隙半导体，硼掺杂后转变为1.533 eV的直接带隙材料。压缩应变使带隙进一步减小至1.2 eV，而拉伸应变则导致带隙非线性增大。应变还显著调控载流子有效质量，-6%应变时电子有效质量降低56%，空穴质量减少43%，大幅提升电荷分离效率。

光学性能增强
硼掺杂使可见光区(400-700 nm)吸收系数提升3倍，压缩应变更使吸收边红移120 nm。第一性原理分子动力学模拟证实掺杂体系在300K温度下结构保持稳定，为实际应用提供理论基础。

氧化还原能力评估
应变调控使导带位置负移0.38 eV，增强CO₂还原能力；价带正移则提升羟基自由基(·OH)生成潜力。电荷差分密度显示硼原子成为活性中心，促进界面电荷转移。

该研究通过原子尺度设计，首次阐明应变与硼掺杂协同调控g-C₃N₆光催化性能的机制。所开发的g-C₃N₆/B体系兼具窄带隙、高载流子迁移率和强可见光吸收特性，为建筑环境污染物治理提供了新型材料解决方案。论文发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，Ying Yuan等研究者的工作不仅拓展了二维材料在环境催化中的应用边界，其"应变-性能"定量关系模型更为功能材料设计提供了普适性研究范式。