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深大陳光明/梁麗榮、杭師大湯龍程 Sci. Bull.綜述：熱電/熱電池用于火災預警

2024-01-18 來源：高分子科技

火災是威脅人類生命和財產安全的主要災害之一，隨著現代輕質可燃物的大規模應用，火災安全的預警與防護更加嚴峻。因此，開發可靠的火災預警系統對火災的有效檢測和監控非常重要。根據作用機理，可以將目前的火災預警材料分為氣體/煙霧傳感器、熱敏電阻材料、熱致變色、熱致形變/相變和熱電材料等。其中，熱電材料基于獨特的熱-電相互轉換特性、電信號與溫差之間的良好線性關系以及自供能能力等，引起極大關注。近期，深圳大學陳光明特聘教授課題組聯合杭州師范大學湯龍程教授在《Science Bulletin》上發表了題為《Thermoelectrics and thermocells for fire warning applications》的綜述論文，系統總結評述了熱電火災預警材料的研究現狀及未來趨勢。深圳大學2022級博士生丁招福為第一作者，深圳大學陳光明特聘教授、梁麗榮助理教授和杭州師范大學湯龍程教授為共同通訊作者。

該綜述從火災演變的規律出發（圖1），將火災分為四個階段，即升溫階段、發展階段、全盛期和衰退期，分別分析了火災預警系統對于不同階段火災的預警/報警作用。然后，總結了現有基于不同機理的主要火災預警系統（圖2），包括：氣體/煙霧傳感器、熱敏電阻材料、熱致變色材料、熱致形變/相變等材料，并簡要介紹了其各自的預警機制和應用特點。

圖1. 火災演變的過程

圖2. 目前主要的火災預警系統類別

本文中，從熱電材料的機理出發，詳細介紹了三種熱電轉換機制（圖3）：固態材料主要是溫差下電子/空穴擴散濃度差產生電壓的機制，稱為電子（e-TE）熱電，液態和凝膠態中的溫差作用下離子熱擴散效應產生的濃度差帶來的電勢差（Soret效應）稱為離子熱電（i-TE），而由于熱、冷電極表面發生氧化-還原反應帶來的電勢差稱為熱電池（TEC），也稱為熱化學電池等。隨后，根據材料的維度，分別詳細討論了一維、二維和三維材料的制備和器件組裝技術的發展。接著，按照熱電轉換機制的三種機制分類，重點介紹了基于不同機理的熱電火災預警的最新進展。在本文的最后，提出了該領域目前存在的一些挑戰，并對其研究前景進行了展望（圖4）。

圖3. 熱-電轉換火災預警的機理

圖4. 智能熱-電轉換火災預警展望

該工作得到了國家自然科學基金（52242305）和廣東省基礎與應用基礎研究基金（2022A1515110296）的支持。

文章信息：Zhaofu Ding, Chunyu Du, Wujian Long, Cheng-Fei Cao, Lirong Liang*, Long-Cheng Tang*, Guangming Chen*. Thermoelectrics and thermocells for fire warning applications.Sci. Bull. 2023.

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.08.057

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（責任編輯：xu）

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