来源：Nano-Micro Letters

01 背景介绍

全球火灾频发，因而开发可靠的火灾检测设备对于生命财产与生态环境具有重要意义。然而，传统的高温监测和预警系统面临着受限于封闭空间、需要能源供应和维护困难等挑战。近年来，基于热电(TE)材料的火灾预警系统正逐渐受到越来越多的关注，具有其自供能特性、可用于户外开放体系、快速预警和良好的重复性等优点。

02 成果掠影

近日，深圳大学陈光明教授、梁丽荣教授联合杭州师范大学汤龙程教授等人，采用简便的溶液加工方式开发了基于 SWCNT/MXene 的高性能TE复合薄膜材料，并通过使用聚乙烯亚胺(PEI)聚合物掺杂p型获得了n型复合材料。复合薄膜表现出优异的热电性能(PF= 239.7 ± 15.8 μW m⁻¹ K⁻²)，且具有优异的阻燃和耐高温行为。团队通过串联组装p和n型复合薄膜，制备了具有垂直结构的柔性热电器件(TED)。火灾预警应用时，所制备的TED表现出宽阈值可调预警行为(1-10 mV)、优异的重复性(50次循环)、环境耐候性(180天)及超快速预警行为(0.1 s)。结合无线信号传输系统，有效地实现了快速火灾探测和远程实时报警信号传输。研究成果以“Ultrafast Response and Threshold Adjustable Intelligent Thermoelectric Systems for Next-Generation Self-Powered Remote IoT Fire Warning”为题发表在《Nano-Micro Letters》。

03 图文导读

图1. 基于SWCNT/MXene薄膜的TE IoT火灾报警系统的材料制备、器件组装和应用。(a)p型和n型SWCNT/MXene复合薄膜的制备过程和简要掺杂机制，以及组装的TE器件示意图。(b)下一代智能远程物联网火灾报警系统概念图。

图2. SWCNT/MXene复合热电薄膜的阻燃性能。(a)典型的燃烧过程，显示出优异的阻燃性和良好的高温结构完整性。(b)复合材料EDS光谱。插图为燃烧前后复合材料的相关元素含量。(c)燃烧前后复合材料的SEM和示意图。(d, e)燃烧前后复合材料的XPS Ti 2p光谱。(f)复合材料在空气中的TGA曲线。(g)原始无涂层海绵和复合材料涂层海绵燃烧过程及SEM图，表明优异的阻燃行为。

图3. 复合薄膜及其器件的TE特性。(a, b)电导率、塞贝克系数和不同比例的p型SWCNT/MXene薄膜的相应功率因子。(c)质量比为10:3的p型薄膜在多次弯曲循环后TE性能的稳定性。(d, e)电导率、塞贝克系数和不同比例n型SWCNT/MXene薄膜相应的功率因子。(f)经过多次弯曲循环后，质量比为10:2的n型薄膜的TE性能的稳定性。(g-i)使用酒精灯作为热源下具有1、5和10对p-n耦合的TED的的输出电压。

图4. 器件的火灾预警性能。(a)使用TED-5pn进行50次重复火灾报警测试。(b)循环使用次数对触发时间的影响。(c)TED-10pn的环境耐受性。(d)触发时间与p–n对数量的影响。(e–h)阈值电压、p–n耦合数量以及设备与外部框架之间的距离对火灾报警性能的影响。(i)报警应用中TED触发时间的比较。

图5. 基于TE的自供电智能远程物联网火灾报警系统。(a)所设计的自供电火灾报警系统智能无线信号传输示意图。(b)嵌入建筑墙体的TE火灾报警系统在不同火焰距离下的实时电压曲线。(c)基于高性能SWCNT/MXene TE复合材料的城市建筑物联网智能火灾报警平台的概念图。

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