深圳大学陈光明/梁丽荣Nano-Micro Lett.：耐高温热电气凝胶用于热能收集与高温预警

随着工业和智能传感应用对高温监测和预警系统的需求不断增加，开发耐高温的智能传感材料与预警系统尤为重要。然而，传统的高温监测和预警系统面临着能源供应不稳定、结构设计复杂和维护困难等挑战，而热电（TE）材料能够实现热能与电能的直接相互转换，可以利用热电势与温差的线性关系无需外部电源便可产生精确的预警信号，将有望能够克服这些问题。其中，气凝胶热电材料兼具热-电转换特性和气凝胶独特的质轻、热导率低与弹性等优势，进一步结合耐高温特性，开发具有耐高温、高弹性和热电性能优异的热电气凝胶，将有望促进其在工业和可穿戴高温能量收集和智能传感领域的应用。

鉴于此，深圳大学陈光明教授课题组采用简便的溶剂置换、溶液共混和冷冻干燥的方法，构筑了具有阻燃、高弹性和耐高温的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐/单壁碳纳米管（PEDOT:PSS/SWCNT）复合热电气凝胶，并探索了该气凝胶在高温能量收集、高温识别和火灾预警方面的应用。相关工作发表在Nano-Micro Letters 期刊。论文的共同第一作者为深圳大学材料学院硕士研究生李鸿雄和博士研究生丁招福，陈光明特聘教授和梁丽荣助理教授为论文的共同通讯作者。

这项研究工作中所制备的高弹性的PEDOT:PSS/SWCNT复合热电气凝胶具有较大的Seebeck系数（38.9 μV K^-1）和较低的热导率（0.074 W m^-1 K^-1），展现出压缩诱导输出功率增强的特性，且在经过300次循环压缩后，还能提供稳定的热电性能。主要归因于两个因素：一是SWCNT具有优异的热稳定性；二是气凝胶制备中加入的交联剂（3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷）显著提高了气凝胶的结构稳定性和机械强度，且当暴露在高温下时，交联剂分解并产生耐高温的氧化硅残留物，这些残留物可以在气凝胶表面形成保护层。

基于该气凝胶所组装设计的热电发电机（25个气凝胶串联而成，图1），可以在300 K的高温差下实现有效的能量收集，最大输出功率达400 μW，输出功率密度达41.1 μW cm^-2。所制备的热电气凝胶及其气凝胶基热电发电机的测试或应用温度明显高于大多数报道的气凝胶及其热电发生器。凭借其优异的耐高温特性、较低的热导率（隔热且保温）、重量轻以及良好的热-电转换能力，该耐高温气凝胶发电机在工业热管道的实时高温监测和高温能量收集方面具有很大的应用潜力。

图1. 气凝胶基热电发电机实现高温差能量收集与高温监测

凭借该气凝胶质轻、耐高温和优异的热电性能，作者基于忆阻器连接原理，设计了集成型传感器阵列，其可作为自供电的可穿戴传感手套（图2），它可以实现宽温差范围的精确监测，还可以结合温差-热电势信号与逻辑运算实现复杂手部动作（如展开、点、捏和握等）的识别，还能够灵敏感知火焰温度。基于其灵敏的高温差识别能力，该气凝胶在帮助视障人士或机器人感知高温方面具有巨大应用潜力。

图2. 可穿戴热电气凝胶传感器及其应用

最后，凭借该气凝胶优异的耐高温和阻燃特性，作者开发设计了自供能火灾预警系统（图3）。将该系统集成到消防服上，能够对高温火源表现出高灵敏度和可重复的监测与报警能力，提高了消防员的安全性。此外，该系统通过蓝牙模块的应用，可以将火灾预警信号迅速传输到相关的监控中心或消防指挥部，实现实时、远程的监测和响应，为火灾预警系统的实际应用提供了更广阔的可能性。

图3. 气凝胶基自供能可穿戴热电火灾预警系统

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Harness High-Temperature Thermal Energy via Elastic Thermoelectric Aerogels

Hongxiong Li, Zhaofu Ding, Quan Zhou, Jun Chen, Zhuoxin Liu, Chunyu Du, Lirong Liang & Guangming Chen

Nano-Micro Lett., 2024, 16, 151, DOI: 10.1007/s40820-024-01370-z