自供電森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)示意圖以及電學(xué)輸出性質(zhì)

近日，河南大學(xué)光伏材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃河學(xué)者特聘教授王新課題組在自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)的研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果以“Self-powered forest fire alarm system based on impedance matching effect between triboelectric nanogenerator and thermosensitive sensor”為題，發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Nano Energy》(影響因子16.54)。

近年來，頻發(fā)的森林火災(zāi)事故引起了全球的廣泛關(guān)注，火災(zāi)事故的預(yù)報(bào)警系統(tǒng)也尤其重要。然而，目前商用的火災(zāi)報(bào)警器(如煙霧、紅外、溫度傳感器)需要外部電源驅(qū)動(dòng)，它們的應(yīng)用受到頻繁充電或更換電池的限制。因此，開發(fā)無外部電源的森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，王新教授課題組基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)與熱敏傳感器之間的阻抗匹配效應(yīng)，提出了一種全新的自供電森林火災(zāi)預(yù)/報(bào)警系統(tǒng)(FFAS)策略，系統(tǒng)由一個(gè)封裝的球形獨(dú)立式摩擦電納米發(fā)電機(jī)作為電源，多巴胺修飾的氧化石墨烯作為熱敏傳感器，商用LED作為報(bào)警器組成，詳細(xì)研究了熱敏傳感器在100~350℃高溫和明火條件下的阻抗變化。基于摩擦納米發(fā)動(dòng)機(jī)與熱敏傳感器之間的阻抗匹配效應(yīng)，研究了自供電森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的電學(xué)輸出性能，發(fā)現(xiàn)快速火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間(3秒)與明火時(shí)電阻變化的響應(yīng)時(shí)間一致。當(dāng)溫度升高或熱敏傳感器周圍出現(xiàn)明火時(shí)，摩擦納米發(fā)動(dòng)機(jī)獲取風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能，提供電源能夠長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮LED報(bào)警系統(tǒng)，成為森林火災(zāi)快速監(jiān)測(cè)和預(yù)/報(bào)警有效策略。同時(shí)，火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅用于森林防火預(yù)/報(bào)警，而且在高層建筑、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用，將極大推動(dòng)自供電無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、生態(tài)環(huán)境和全球氣候等領(lǐng)域的發(fā)展。

河南大學(xué)為論文的第一完成單位，劉文全博士(聯(lián)合培養(yǎng)生)為第一作者，王新教授為第一通訊作者，東北師范大學(xué)單桂曄教授為論文的共同通訊作者。研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、河南大學(xué)黃河學(xué)者資金等項(xiàng)目的資助。

王新教授課題組在光伏實(shí)驗(yàn)室主任張偉風(fēng)教授和實(shí)驗(yàn)室同事的大力支持下，主要致力于摩擦納米發(fā)電、柔性物理電子器件和電子皮膚等領(lǐng)域的研究。目前課題組成員在《ACS Nano》、 《Journal of the American Chemical Society》、 《Journal of Materials Chemistry A》、 《Nano Research》、 《Chemistry of Materials》、 《Journal of Physical Chemistry B》等國(guó)際知名SCI期刊發(fā)表論文30余篇，獲批專利4項(xiàng)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)目3項(xiàng)和中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)基金項(xiàng)目，參與了包括國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、 863項(xiàng)目和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目等10余項(xiàng)，在柔性和可拉伸摩擦納米發(fā)電器件和自驅(qū)動(dòng)傳感器等研究領(lǐng)域取得了一系列研究成果。同時(shí)課題組與國(guó)內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)，包括中科院北京能源系統(tǒng)所、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、東北師范大學(xué)、中科院蘇州納米所、美國(guó)加州大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院、普渡大學(xué)、荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)等開展廣泛的交流和合作。