氢化石墨烯材料6H1构型实现热电性能突破：理论预测与协同调控机制

为突破二维碳材料电导率与热导率的性能制约，研究人员通过第一性原理计算系统研究了氢化石墨烯(graphenylene)的热电调控机制。研究发现6H1构型(C2/m对称性)在氢化后产生费米能级附近共振态，获得2640.88 cm2/V·s的空穴迁移率，同时晶格非谐性增强使声子群速度和寿命分别降至原始值的36%和42%，最终在800K实现ZT值2.3，较原始结构提升180%。该工作为二维热电材料的化学功能化设计提供了新范式。

　　

在全球清洁能源需求激增的背景下，热电材料因其可实现热能与电能直接转换的特性备受关注。然而传统二维碳材料如石墨烯面临"导电-导热"的性能矛盾——高载流子迁移率往往伴随高晶格热导率，严重制约其热电转换效率。如何通过材料设计打破这种性能制约，成为当前能源材料领域的重大挑战。

针对这一科学难题，来自中国的研究团队选择具有周期性纳米孔结构的石墨烯(graphenylene)作为研究平台，通过系统的氢化功能化策略探索性能调控新路径。研究人员采用第一性原理计算结合玻尔兹曼输运理论，筛选出6H1氢化构型(C2/m对称性)作为最优候选，其热电优值ZT在800K达到2.3，较未修饰材料提升180%，相关成果发表于《Vacuum》。

研究主要采用密度泛函理论(DFT)计算电子结构，通过投影缀加波(PAW)方法处理电子-离子相互作用；采用变形势理论计算载流子迁移率；通过求解玻尔兹曼输运方程评估热电参数；结合声子谱计算和从头算分子动力学(AIMD)模拟验证结构稳定性。

结构筛选
通过对称性分析发现，6H1构型在氢化后保持C2/m空间群对称性，每个原胞引入6个氢原子形成稳定吸附。几何优化显示氢化引起局部C-C键长变化达8.7%，为后续声子散射增强奠定结构基础。

电子传输优化
氢化在费米能级附近诱导出共振态，使态密度提升3倍，Seebeck系数达到285 μV/K。独特的sp²-sp³杂化网络使空穴迁移率达2640.88 cm²/V·s，远超多数二维热电材料。

声子传输抑制
局部结构畸变使声学支声子群速度降至5.2 km/s(原始值14.4 km/s)，三声子散射率提升2.4倍，300K时晶格热导率降至36.18 W/mK，实现电子-声子输运的协同调控。

结论与展望
该研究揭示了氢化修饰对二维碳材料多尺度输运特性的调控机制：电子结构方面通过共振态增强态密度，晶体结构方面通过对称性破缺增强声子散射。6H1-graphenylene的ZT值超越95%已报道的二维碳基热电材料，为开发新一代柔性热电器件提供了理论指导。研究团队特别指出，偶数氢化配置对拓扑态的保护作用可能是实现性能突破的关键，这一发现为二维材料的理性设计提供了新思路。