热电与光电双调制传感器，实现精确火灾识别与预警

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

火灾预警传感器作为一种实现对火灾的识别和预警的装置，对人类的生命财产安全保障起到至关重要的作用。目前，加强消防安全的通用途径是通过温度检测实现。因此，许多温度敏感材料，包括热敏电阻材料、热敏电阻材料、热敏变色材料和热响应形状材料，都得到了广泛的应用研究。在热电材料中，由于其电信号与温度变化之间的线性相关性，可以在没有外接电源的情况下实现对火灾的监测。但是，现存的热电材料表现出一个较小的塞贝克系数，因此会有一个较弱的电压信号干扰，并且这类传感器的响应时间相对较长。因此，仅仅依靠温度响应进行火灾报警可能会引起虚假警报，并降低保护的有效性。研发一种智能火源传感系统实现准确和有效的火灾预警仍然是该领域的一个挑战。

为了实现对火灾的精确监控，光热电材料成为该领域备受关注的材料。这类材料能够通过协同光热和热电效应实现优异的热电转换性能。然而，传统光电热电材料采用的两步能量转换过程，即光首先转化为热，然后转化为电，因此能量转换效率低下。相比之下，能够同时将光和热转化为电的光电热电多功能材料在输出电压和响应时间方面，在智能传感器件中具有明显的优势。

近期，深圳大学陈光明、杜春雨团队设计了一种智能火源传感系统，该系统采用了一种新型的光/热双参数响应单壁碳纳米管/聚（3-己基噻吩-2,5-二烷基）（SWCNT/P3HT）复合材料，具有良好的输出电压和响应时间。该系统集成了SWCNT/P3HT复合材料、一个电路微控制器和一个信息传输系统。与单独加热相比，光和热的协同效应显著提高了SWCNT/P3HT复合材料的输出电压和响应时间。由于SWCNT/P3HT复合材料具有较高的热电和光电性能，能够精确识别火源，并能够调整火灾危险检测的报警阈值，因此发现该智能传感系统对火灾源具有准确的感知和报警能力。该工作以题为“Thermoelectric and Photoelectric Dual Modulated Sensors for Human Internet of Things Application in Accurate Fire Recognition and Warning”的文章发表于Advanced Functional Materials上

SWCNT/P3HT光热响应材料的设计与性能

SWCNT/P3HT复合材料的制备过程十分简单。即，将SWCNT膜浸泡在P3HT二甲苯溶液中，得到一种柔性的SWCNT/P3HT复合膜。利用扫描电镜（SEM）进行进一步表征，原始SWCNT薄膜的表面和横截面展示了 SWCNT束的交错网络。在经过负载P3HT后，SWCNT束被P3HT包围，表明SWCNT和P3HT之间存在很强的界面相互作用。对SWCNT和SWCNT/P3HT进行了x射线光电子能谱（XPS），拉曼光谱和热重分析，验证了复合材料的组成。

为了评价P3HT、SWCNT和P3HT/SWCNT复合材料的热电性能，文章对塞贝克系数、电导率和功率因数进行了分析。纯碳纳米管薄膜记录的塞贝克系数为57.4 ± 0.6 μV K-1，电导率为769±12.8Scm-1。值得注意的是，将P3HT加入SWCNT网络后，塞贝克系数和电导率均显著增加，分别达到62.5 ± 1.7 μV K-1和1508±122.5Scm-1。还对P3HT/SWCNT复合材料的功率因子进行了评估，发现其功率因子比纯P3HT高20 000倍以上，是纯CNT的两倍。这种热电性能的显著提高可以归因于嵌入在碳纳米管网络中的晶体P3HT，它增强了碳纳米管束之间的载流子输运。相应的吸收光谱、光致发光能力和光电转化检测都展示了SWCNT/P3HT复合材料的显著光电转换能力。

为了研究该材料的热和光刺激对输出电压的影响，本文报道了使用自制的热电测试仪器进行了热电测试相关实验。首先是输出电压和温度的关系，输出电压与温差之间的正相关关系，拟合的塞贝克系数为45.25 μV K-1。当温差为40 K时，输出电压达到1.81 mV。然后是光照的影响，随着光强的升高，两端之间的温差也相应增大。在温差为40 K时，输出电压达到3.75 mV，比单独加热产生的输出电压高1.94 mV。这一发现表明，光的引入进一步放大了在相同的温差下的输出电压。证明光热协同效应比热效应有更强的输出电压。

SWCNT/P3HT传感器的实际应用

本文还实现了基于SWCNT/P3HT复合薄膜的智能传感系统，以进一步探索其在火源传感中的潜在应用。所提出的传感系统由SWCNT/P3HT复合膜、电压放大器、微控制器、蓝牙、继电器、电压转换模块和电源组成。SWCNT/P3HT复合薄膜通过温差和光变化的刺激产生电压，并通过电压放大器放大并传输到微控制器。该微控制器将所传输的模拟信号转换为数字信号。可以通过将蓝牙模块连接到微控制器来实现与移动电话或计算机的通信。该系统结合人工智能算法，采用了较大的300个样本量进行训练。在每个组分中获得300个样本的识别准确率达到98.7%，说明该系统在识别火源方面具有良好的分类能力。

小结：该文报道了一种输出电压和响应时间均为优良的新型光/热双参数响应型SWCNT/P3HT复合材料，并且通过集成SWCNT/P3HT复合材料、电路微控制器和消息传输系统，设计了一种智能火源传感装置。与单独加热相比，光和热的协同效应显著提高了SWCNT/P3HT复合材料的输出电压和响应时间。由于SWCNT/P3HT复合材料的热电和光电性能高，该智能传感系统剋精确识别火源和检测火灾危险，并且其报警阈值可调。这种光/热双参数响应材料和可穿戴设备的新方法，在智能家居生活环境中具有十分可观的应用前景。

来源：高分子科学前沿

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