近日，黄河科技学院杨保成教授团队在The Journal of Physical Chemistry Letters发表题为“Strain-Engineered Interfacial Chemistry: Curvature-Induced sp2-sp3 Rehybridization of Graphene for Ultrahigh Alkali Metal Storage”的研究论文。吴东海博士为论文第一作者。该工作通过第一性原理计算提出：压缩应变诱导的石墨烯面外屈曲（褶皱弯曲）不只是力学形变，更是一种高效的“化学活化开关”，能够激活本征惰性的石墨烯表面，实现锂、钠、钾金属离子的高容量存储与快速离子输运。
1. 研究背景
随着可穿戴电子器件与柔性显示技术快速发展，研发兼具高比容量、快充特性与良好力学柔性的电极材料已成为迫切需求。石墨烯凭借优异的力学柔性与高电导率，是极具潜力的柔性电极候选材料。然而，本征单层石墨烯表面存在固有热力学惰性：稳定的sp2杂化构型与离域π电子网络，使其对碱金属离子的吸附作用十分微弱。现有石墨烯基负极往往需要引入结构缺陷、杂原子掺杂或者利用边缘位点完成离子存储，但这些方法常会牺牲材料本征导电性与力学结构完整性。
应变电子学（straintronics）通过力学形变调控材料性质，为二维材料提供了一种无损优化思路。压缩应变可使石墨烯发生面外屈曲，但这种曲率能否将惰性石墨烯表面变成高活性碱金属存储界面，以及背后的微观机制，此前尚不清楚。
图1 本工作的设计思路及图文摘要
2. 研究内容
本工作采用第一性原理计算，系统探究了沿zigzag和armchair两个方向施加单轴压缩应变时，石墨烯的微观结构演化、电子特性以及碱金属储能行为。研究发现，压缩应变与碱金属吸附存在显著耦合效应，并归纳出三类由应变‑吸附协同驱动的曲率活化机制：
a）弱压缩（约2%）：石墨烯初始保持平面，碱金属吸附诱导可逆屈曲；离子完全脱附后结构恢复平面，对应“动态活性位点机制”；
b）中等压缩（约5%）：碱金属吸附触发石墨烯产生面外褶皱；离子脱附后，在力学载荷约束下褶皱结构得以保留，但体系不存在π‑σ轨道耦合，对应“力学诱导亚稳活性位点机制”；
c）高压缩（10%‑15%）：碱金属吸附触发不可逆屈曲相变，压缩应力与π‑σ轨道耦合共同锁定褶皱形貌，形成稳定的“电子‑力学耦合活性位点机制”。
图2 应变‑吸附协同驱动的曲率活化机制示意图
高压缩状态下的石墨烯会形成凸“脊”、凹“谷”交替的褶皱形貌。锂、钠、钾离子更倾向于在凹“谷”区域吸附，界面结合作用大幅增强。Bader电荷分析显示，吸附后的金属离子会失去绝大部分价电子，转化为Li⁺、Na⁺、K⁺；阳离子之间的库仑排斥可有效抑制金属团聚，保障电极获得稳定的储能容量。
图3 最稳定吸附构型的差分电荷密度
电子结构分析揭示了储能性能提升的微观原因：压缩诱导的几何曲率打破石墨烯离域π电子体系，驱动碳原子发生局部sp2向sp3的再杂化，并产生π‑σ轨道耦合效应。褶皱结构的凸“脊”与凹“谷”位置形成高度极化的局域电荷“富集‑耗散”区域，显著强化界面相互作用与电荷转移效率；同时，石墨烯仍保持金属导电性，保障充放电全过程的高效电子输运。
图4 sp2→sp3再杂化与π‑σ耦合机制的电子结构解析
褶皱构型进一步赋予压缩应变下的石墨烯多层金属离子吸附能力。理论计算表明，该体系用于锂离子电池时理论比容量可达1675.1 mA h g-1；用于钠、钾离子电池可达744.5 mA h g-1，大幅优于商用石墨负极（372 mA h g-1）。材料平均开路电压处于负极适配的0‑1 V区间；绝大多数情况下体积膨胀低于20%，其中钾离子体系仅为3.71%‑11.91%，展现出优异的结构稳定性。
图5 多层吸附构型
在离子扩散动力学方面，褶皱几何带来显著的输运各向异性：沿凹“谷”构建的离子扩散通道势垒最低可达0.05 eV，整体势垒小于0.25 eV；而跨越凸“脊”的迁移势垒最高可达0.81 eV。凹“谷”通道相当于“超离子高速通道”，可实现Li+、Na+、K+的快速迁移，为高倍率柔性碱金属离子电池开发提供支撑。
图6 离子扩散通道及势垒
3. 本论文创新点
1）提出无损应变活化策略：利用压缩屈曲激活惰性表面，揭示曲率诱导sp2→sp3再杂化与π‑σ耦合机制，建立几何曲率与表面反应性之间的构效关系。
2）理论证实超高碱金属存储性能：褶皱结构实现多层吸附，容量远超商用石墨，兼具低电压、低膨胀与抗团聚特性。
3）发现各向异性“谷”超离子通道：凹“谷”势垒极低，可实现超快离子输运，为高倍率柔性碱金属离子电池的开发提供支撑。
4. 致谢
本研究工作依托黄河科技学院纳米功能材料研究所、河南省纳米复合材料与应用重点实验室等科研平台完成，得到国家自然科学基金、河南省科技攻关项目以及黄河科技学院博士科研启动基金等课题的资助支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6c01393
