來源：Nano-Micro Letters

01 背景介紹

全球火災(zāi)頻發(fā)，因而開發(fā)可靠的火災(zāi)檢測設(shè)備對(duì)于生命財(cái)產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的高溫監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)面臨著受限于封閉空間、需要能源供應(yīng)和維護(hù)困難等挑戰(zhàn)。近年來，基于熱電(TE)材料的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)正逐漸受到越來越多的關(guān)注，具有其自供能特性、可用于戶外開放體系、快速預(yù)警和良好的重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。

02 成果掠影

近日，深圳大學(xué)陳光明教授、梁麗榮教授聯(lián)合杭州師范大學(xué)湯龍程教授等人，采用簡便的溶液加工方式開發(fā)了基于 SWCNT/MXene 的高性能TE復(fù)合薄膜材料，并通過使用聚乙烯亞胺(PEI)聚合物摻雜p型獲得了n型復(fù)合材料。復(fù)合薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的熱電性能(PF= 239.7 ± 15.8 μW m?1 K?2)，且具有優(yōu)異的阻燃和耐高溫行為。團(tuán)隊(duì)通過串聯(lián)組裝p和n型復(fù)合薄膜，制備了具有垂直結(jié)構(gòu)的柔性熱電器件(TED)?；馂?zāi)預(yù)警應(yīng)用時(shí)，所制備的TED表現(xiàn)出寬閾值可調(diào)預(yù)警行為(1-10 mV)、優(yōu)異的重復(fù)性(50次循環(huán))、環(huán)境耐候性(180天)及超快速預(yù)警行為(0.1 s)。結(jié)合無線信號(hào)傳輸系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了快速火災(zāi)探測和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)報(bào)警信號(hào)傳輸。研究成果以“Ultrafast Response and Threshold Adjustable Intelligent Thermoelectric Systems for Next-Generation Self-Powered Remote IoT Fire Warning”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1. 基于SWCNT/MXene薄膜的TE IoT火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的材料制備、器件組裝和應(yīng)用。(a)p型和n型SWCNT/MXene復(fù)合薄膜的制備過程和簡要摻雜機(jī)制，以及組裝的TE器件示意圖。(b)下一代智能遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)概念圖。

圖2. SWCNT/MXene復(fù)合熱電薄膜的阻燃性能。(a)典型的燃燒過程，顯示出優(yōu)異的阻燃性和良好的高溫結(jié)構(gòu)完整性。(b)復(fù)合材料EDS光譜。插圖為燃燒前后復(fù)合材料的相關(guān)元素含量。(c)燃燒前后復(fù)合材料的SEM和示意圖。(d, e)燃燒前后復(fù)合材料的XPS Ti 2p光譜。(f)復(fù)合材料在空氣中的TGA曲線。(g)原始無涂層海綿和復(fù)合材料涂層海綿燃燒過程及SEM圖，表明優(yōu)異的阻燃行為。

圖3. 復(fù)合薄膜及其器件的TE特性。(a, b)電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和不同比例的p型SWCNT/MXene薄膜的相應(yīng)功率因子。(c)質(zhì)量比為10:3的p型薄膜在多次彎曲循環(huán)后TE性能的穩(wěn)定性。(d, e)電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和不同比例n型SWCNT/MXene薄膜相應(yīng)的功率因子。(f)經(jīng)過多次彎曲循環(huán)后，質(zhì)量比為10:2的n型薄膜的TE性能的穩(wěn)定性。(g-i)使用酒精燈作為熱源下具有1、5和10對(duì)p-n耦合的TED的的輸出電壓。

圖4. 器件的火災(zāi)預(yù)警性能。(a)使用TED-5pn進(jìn)行50次重復(fù)火災(zāi)報(bào)警測試。(b)循環(huán)使用次數(shù)對(duì)觸發(fā)時(shí)間的影響。(c)TED-10pn的環(huán)境耐受性。(d)觸發(fā)時(shí)間與p–n對(duì)數(shù)量的影響。(e–h)閾值電壓、p–n耦合數(shù)量以及設(shè)備與外部框架之間的距離對(duì)火災(zāi)報(bào)警性能的影響。(i)報(bào)警應(yīng)用中TED觸發(fā)時(shí)間的比較。

圖5. 基于TE的自供電智能遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。(a)所設(shè)計(jì)的自供電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)智能無線信號(hào)傳輸示意圖。(b)嵌入建筑墻體的TE火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在不同火焰距離下的實(shí)時(shí)電壓曲線。(c)基于高性能SWCNT/MXene TE復(fù)合材料的城市建筑物聯(lián)網(wǎng)智能火災(zāi)報(bào)警平臺(tái)的概念圖。

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