河大基于热敏传感器的阻抗匹配效应研发自供电火灾预报警系统

自供电森林火灾报警系统示意图以及电学输出性质

近日，河南大学光伏材料省重点实验室黄河学者特聘教授王新课题组在自驱动传感系统的研究领域取得重要进展，研究成果以“Self-powered forest fire alarm system based on impedance matching effect between triboelectric nanogenerator and thermosensitive sensor”为题，发表在国际能源领域顶级期刊《Nano Energy》(影响因子16.54)。

近年来，频发的森林火灾事故引起了全球的广泛关注，火灾事故的预报警系统也尤其重要。然而，目前商用的火灾报警器(如烟雾、红外、温度传感器)需要外部电源驱动，它们的应用受到频繁充电或更换电池的限制。因此，开发无外部电源的森林火灾报警系统仍然是一个严峻的挑战。

针对上述问题，王新教授课题组基于摩擦电纳米发电机(TENG)与热敏传感器之间的阻抗匹配效应，提出了一种全新的自供电森林火灾预/报警系统(FFAS)策略，系统由一个封装的球形独立式摩擦电纳米发电机作为电源，多巴胺修饰的氧化石墨烯作为热敏传感器，商用LED作为报警器组成，详细研究了热敏传感器在100~350℃高温和明火条件下的阻抗变化。基于摩擦纳米发动机与热敏传感器之间的阻抗匹配效应，研究了自供电森林火灾预警系统的电学输出性能，发现快速火灾响应时间(3秒)与明火时电阻变化的响应时间一致。当温度升高或热敏传感器周围出现明火时，摩擦纳米发动机获取风能转化电能，提供电源能够长时间点亮LED报警系统，成为森林火灾快速监测和预/报警有效策略。同时，火灾监测系统不仅用于森林防火预/报警，而且在高层建筑、工业生产等各个领域也具有重要应用，将极大推动自供电无线监测网络、物联网、生态环境和全球气候等领域的发展。

河南大学为论文的第一完成单位，刘文全博士(联合培养生)为第一作者，王新教授为第一通讯作者，东北师范大学单桂晔教授为论文的共同通讯作者。研究工作受到国家自然科学基金面上项目、河南大学黄河学者资金等项目的资助。

王新教授课题组在光伏实验室主任张伟风教授和实验室同事的大力支持下，主要致力于摩擦纳米发电、柔性物理电子器件和电子皮肤等领域的研究。目前课题组成员在《ACS Nano》、 《Journal of the American Chemical Society》、 《Journal of Materials Chemistry A》、 《Nano Research》、 《Chemistry of Materials》、 《Journal of Physical Chemistry B》等国际知名SCI期刊发表论文30余篇，获批专利4项，主持国家自然科学基金委基金项目3项和中国科学院青年促进会基金项目，参与了包括国家自然科学基金重点项目、 863项目和中科院战略先导专项项目等10余项，在柔性和可拉伸摩擦纳米发电器件和自驱动传感器等研究领域取得了一系列研究成果。同时课题组与国内外知名研究机构，包括中科院北京能源系统所、中科院长春光机所、北京大学、清华大学、东北师范大学、中科院苏州纳米所、美国加州大学、佐治亚理工学院、普渡大学、荷兰阿姆斯特丹大学等开展广泛的交流和合作。