多孔碳材料具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，已被證明是室溫鈉硫（RT Na-S）電池最有前途的硫宿主之一。然而，完整石墨晶格的非極性表面與極性多硫化物的相互作用較弱，從而導(dǎo)致了臭名昭著的穿梭效應(yīng)和較差的硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)。

圖1.?五邊形缺陷促進(jìn)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的理論計(jì)算

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院王輝、名古屋大學(xué)Changlai Wang、安徽大學(xué)鄭方才等在石墨晶格中設(shè)計(jì)了五邊形缺陷，以打破π-共軛的完整性，使局部電子分布同時(shí)增強(qiáng)多硫化物的親和力并加速硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)。DFT計(jì)算表明，與完整的石墨晶格相比，五邊形缺陷可以打破??-共軛的完整性，誘導(dǎo)局部電子分布，從而促進(jìn)多硫化物的親和性，降低硫轉(zhuǎn)化障礙。

在DFT計(jì)算的指導(dǎo)下，作者通過(guò)選擇性去除氮摻雜碳材料（NCs）中的吡啶-N（N-6）和吡咯-N（N-5），在碳材料（PCs）中實(shí)驗(yàn)性地構(gòu)建了五邊形缺陷。通過(guò)去除 N 原子，得到的PC還含有發(fā)達(dá)的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。五邊形碳原子上增加的極性和累積的局部電荷可促進(jìn)多硫化物的強(qiáng)親和性并降低硫轉(zhuǎn)化障礙，從而提高RT Na-S電池的儲(chǔ)能性能。

圖2.?動(dòng)力學(xué)分析

值得注意的是，作為硫宿主的合成碳材料在0.1C條件下循環(huán)100次后顯示出1275 mAh g^-1的高可逆容量，并且在3C條件下循環(huán)600次后顯示出長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性，每次循環(huán)僅有0.035%的低容量衰減。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)碳材料中的固有五邊形缺陷作為RT Na-S電池的高效催化劑提供了基礎(chǔ)。

圖3.?RT Na-S電池的性能

Pentagon Defects Accelerating Polysulfides Conversion Enabled High-Performance Sodium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202310598