上科大凌盛杰团队和梁俊睿团队 《Nano Energy》：基于丝素蛋白/钙离子水合离子导体的自供电智能远程火灾报警系统

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近日，上海科技大学物质学院凌盛杰团队和信息学院梁俊睿团队合作开发了一套自供电的智能感知野火探测与报警系统。具体而言，将丝素蛋白/钙离子水合离子导体 (Silk Fibroin/ Ca²⁺ Hydro-Ionotronic, SF/CaHI)作为锌空气电池的电解质，显示出对环境温、湿度的响应性(图1)。由于脱水、多层热屏蔽、气相稀释以及自由基淬灭效应的协同作用，SF/CaHI具有优异的阻燃性能。因此，基于SF/CaHI构建的电池在火灾环境中不会发生自燃或爆炸，有利于其在火灾报警领域的应用(图2)。更进一步，SF/CaHI电池在火焰靠近时，SF/CaHI发生膨胀，电池将会产生特异的输出电压峰，从而引发火灾预警。此功能在较小火焰移去后可以通过吸收空气中的水分自行恢复(图3)。研究人员以此为依据，将SF/CaHI电池与物联网技术相结合，设计出一套自供电的智能感知野火探测与报警系统(图4)。在日常使用中，该系统可以实时监测环境温度，并在火灾发生时在几秒内向几公里外的信号接收端(安卓和PC端软件)发射报警信号(图5)。该工作以“IntelliSense silk fibroin ionotronic batteries for wildfire detection and alarm”为题发表在《Nano Energy》上。该研究得到国家自然科学基金和上海科技大学启动资金的支持。

图1. (a)通过实验室建立的自动气溶胶沉积技术制造SF/CaHI锌空气电池带的照片和示意图; (b)SF/CaHI的结构示意图; (c) SF/CaHI电池的开路电压随环境温度和湿度的变化。

图2. SF/CaHI的阻燃性(a)示意图与(b)照片；(c)SF/CaHI点火后形成的多孔泡沫结构的SEM。

图3. (a)SF/CaHI的TGA-MS曲线; (b) SF/CaHI电池在小火引发预警过程中输出电压的可重复性变化； (c) SF/CaHI电池在点火及火源移去时的照片

图4. 自供电智能感知野火探测报警系统(a)结构示意图； (b)照片； (c)对环境温度实时监测并发送。

图5. 7个自供电智能感知野火探测报警系统通过安卓和PC端软件实时监测上海科技大学校园内环境温度和火灾信息。

此项工作是该团队近期关于丝源水合离子导体研究的最新进展之一。丝源水合离子导体材料不仅具有优良的力学性能，同时还具有良好的阻燃性能和环境响应性。凌盛杰团队利用其电学特性探索了其高温环境响应性(ACS Mater. Lett. 2020. 712)，探入探究了其温、湿度电学响应的机理，建立了相应的理论模型(Giant 2021. 100044)。在此基础上不断优化制备工艺，巧妙的利用电喷纺的工艺结合石墨烯材料，制备出具有环境响应的智能蒙皮材料(Adv. Mater. 2021. e2102500)并探索了该材料的应用。

上海科技大学物质学院硕士研究生刘强、张豪和信息学院博士研究生李鑫为该文章共同第一作者。上海科技大学物质学院凌盛杰教授，助理研究员任婧，与信息学院梁俊睿教授为文章的通讯作者。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552200708X

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