成果简介
将电磁辐射转换为可用的直流电（DC）不仅可减少电磁（EM）污染，还能缓解能源危机。石墨烯具备高介电常数，已被证明具有显著的EM耗散能力，然而其固有的高导热性、低塞贝克系数和零带隙结构阻止了热-直流转换。通过堆叠两片以小角度扭曲的石墨烯操纵不同石墨烯层之间的层间相互作用（例如范德华力），可实现多种种材料特性和功能，比如：有序多孔石墨烯。但目前合成单分散、纳米级孔隙（<10nm），具有交错的多孔结构石墨烯层仍具有挑战性。
本文，加利福尼亚理工学院王晓光研究团队联合哈佛大学等在《Nature Communications》期刊发表名为Staggered circular nanoporous graphene converts electromagnetic waves into electricity”的论文，研究报道了一种在石墨烯上产生具有良好孔径和形状的单分散纳米圆孔的方法，在具有多个层的石墨烯中，不同石墨烯层上的纳米孔彼此部分重叠，从而产生所需的交错纳米多孔结构。
在石墨烯纳米孔边缘形成的非石墨化碳充当偶极子，通过在相对较低的EM频率（即2–5GHz）下的偶极极化弛豫来改善EM–热转换。此外，孔隙边缘促进声子散射，以降低石墨烯的热导率，并通过分裂狄拉克点和破坏费米能面来限制电子传输，这显著增强了石墨烯的塞贝克效应。因此，高介电常数、降低的热导率和增强的塞贝克系数的协同作用使这类交错有序的纳米多孔石墨烯成为实现所提出的EM–热–DC转换的前景材料。
图文导读
图1、纳米多孔石墨烯的合成示意图
图2：具有有序纳米孔的石墨烯的形态
图3：有序有序的圆形纳米孔对石墨烯的电磁（EM）耗散、电导率和热导率的影响
图4：交错有序圆形纳米孔对石墨烯塞贝克效应的影响
图5、具有圆形纳米孔的双层石墨烯的电能输出性能
小结
本文报告了一种石墨烯表面产生单分散纳米级圆孔的方法，纳米孔和交错多孔结构的存在改变了石墨烯的电子和声子结构（例如，偶极极化弛豫、开带隙结构、狄拉克点的分裂和声子散射），提供了高介电常数、低热导率、高塞贝克系数和ZT值等所需功能。有序的纳米多孔石墨烯能够通过将电磁波吸收和耗散为热量来有效产生直流电。研究结果推进了对有序纳米多孔石墨烯结构-性能关系的基本理解，并提供了一种有效吸收低频电磁波和将环境废热转化为可用电力的设计方法，这类多功能有序纳米多孔石墨烯可扩大石墨烯在能量收集、热管理、电磁屏蔽和吸收、热电和光催化分解水方面的潜在用途。
文献：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37436-6
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