N掺杂石墨烯是通过将氮原子引入石墨烯晶格中，替代部分碳原子或形成特定功能化结构，从而调控其电子、光学和化学性质的功能化材料。
理论计算（如密度泛函理论，DFT）表明，氮的掺杂会显著改变石墨烯的能带结构、载流子浓度和磁性等性质。
例如，石墨氮（graphitic N）通过替代碳原子形成sp²杂化结构，引入额外电子导致n型导电，而吡啶氮（pyridinic N）和吡咯氮（pyrrolic N）则因局域化缺陷态呈现p型或n型行为。
通过分析氮原子的键合方式，将N掺杂分为以下主要类型：
石墨氮（Graphitic N）：直接替代碳原子进入六元环，贡献1个额外电子到共轭体系，保持平面性但引入n型掺杂效应，且能保持较高的导电性。
DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.126805
吡啶氮（Pyridinic N）：位于石墨烯边缘或缺陷处，形成两个相邻的sp²键。理论计算表明其具有更高的形成能，但高浓度时更稳定。紫外光电子能谱（UPS）显示其降低功函数，增强π态密度。
吡咯氮（Pyrrolic N）：位于石墨烯边缘或缺陷处，贡献2个p电子与相邻碳原子形成两个σ键，剩余1个孤对电子垂直于平面。。
其他构型：包括三氮吡啶空位、吸附氮等，需通过分子动力学模拟研究其动态稳定性。
n型掺杂效应：n型掺杂效应源于氮原子比碳原子多出的一个价电子，这些额外电子会注入石墨烯的π*反键轨道，导致费米能级上移0.2-0.8 eV（具体取决于掺杂浓度），显著提高材料的本征电导率，实验测得电导率可提升2-3个数量级。
调整带隙：通过引入特定类型的氮掺杂可以精细调节带隙结构：
吡啶型氮（位于边缘或缺陷位点）会与相邻碳原子形成局域化电子态，在狄拉克点附近引入0.1-0.5 eV的带隙，这种半导体特性使其适用于场效应晶体管等器件（开关比可达104-105）；
电荷重新分布：氮掺杂引发的电荷重新分布形成了独特的活性位点 – 氮原子周围电子云密度增加，而相邻碳原子因电子缺失呈现正电性，这种极化效应不仅改变了材料的功函数，还显著提升了催化活性。
氮掺杂通过增强电荷转移和调节吸附位点间距，提升其储钠容量。
DOI:10.1016/j.carbon.2018.08.071
掺杂石墨烯通过调控氮原子的浓度和分布显著影响其催化性能， DFT计算表明，随着活性位点周围N浓度的增加（1N、2N、3N分别对应33%、67%、100%），O的吸附能比HO/HOO下降更快（5 eV vs. 2.7 eV），这是由于C-O键级从单键逐步转变为双键，而HO/HOO则更接近单键并遵循八电子规则。
当N原子与活性位点的距离增加（如间隔1C、2C、3C位点）时，N对HO/HOO的吸附影响迅速减弱，而O仍能感知远端N的电子效应。
此外，O作为共吸附物时对中间体吸附能的削弱作用比HO更显著（2 eV vs. 1 eV），导致理论过电位随N浓度升高（3N > 2N > 1N），但在N原子分散或共吸附HO时过电位降低。
这些结果揭示了N掺杂石墨烯的ORR活性不仅依赖于N的局部浓度和位置，还受中间体电荷再分配机制的调控，为设计高效催化剂提供了原子级理论依据。
在N掺杂石墨烯的电容性能调控中，不同氮掺杂类型对总电容的贡献机制存在显著差异。
吡啶型氮（Pyridinic N）和石墨型氮（Graphitic N）通过两种互补途径协同提升电容性能：
一方面，吡啶型氮在石墨烯边缘或缺陷位点引入孤对电子，显著增加电极表面的局部电荷密度；
另一方面，石墨型氮通过取代碳原子直接向石墨烯π共轭体系注入离域电子，整体提升材料的态密度（DOS）近费米能级。
这种协同效应使得量子电容（C_Q）和电双层电容（C_EDL）同步增强。
DOI: 10.3390/nano13131932
益于理论计算化学的快速发展，计算模拟在纳米材料研究中的运用日益广泛而深入。科研领域已经逐步形成了“精准制备-理论模拟-先进表征”的研究模式，而正是这种实验和计算模拟的联合佐证，更加增添了论文的可靠性和严谨性，往往能够得到更广泛的认可。
华算科技是专业的理论计算与科研测试解决方案服务商，为高校和企业的科研团队提供材料、催化、能源、生物等领域的理论计算和测试表征解决方案。
华算科技已向国内外1000多家高校/科研单位提供了超过50000项理论计算和测试表征服务，部分计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。
添加下方微信好友，立即咨询计算服务：电话/微信：13129551561
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
