太原理工李银辉/西电周赟磊Nano Energy：可在500℃高温连续工作的柔性压电/热电双功能传感器！

随着传统化石能源的逐渐枯竭，从生活环境中收集可再生能源越来越受到人们的关注。近年来，将环境中的机械能转化为电能的技术已得到广泛研究，例如压电、摩擦发电和热电等，这对于满足长期能源需求和可持续发展至关重要。目前已开发出单个压电或热电传感器用于环境能量收集，甚至一些用于同时收集机械能和热能的压电、热电混合传感器的尝试也已经实现。然而，大多数器件能量转换效率低、柔性差、工作温度低，限制了它们在柔性电子和高温传感器中的应用。

太原理工大学李银辉、西安电子科技大学周赟磊等人报道了一种基于PAN/Zn(Ac)2纳米纤维复合膜的高温压电传感器。该传感器由静电纺丝和热氧化稳定工艺制备，可以在500℃以上的高温下连续工作，并首次发现了经热处理的PAN具有热电性。该传感器在室温下的最大输出电压为14.13 V，在高温下的输出电压约为14.86 V。此外，该传感器具有超过10000次循环的室温耐久性，以及超过5000次循环的高温耐久性（400℃）和60天的稳定性。该传感器可以给电容器充电，有望广泛应用于消防安全、汽车工业等高温领域。该研究以题为“High-temperature flexible electric Piezo/pyroelectric bifunctional sensor with excellent output performance based on thermal-cyclized electrospun PAN/Zn(Ac) 2 nanofiber mat”的论文发表在《Nano Energy》上。

【复合膜的制备与表征】

作者通过静电纺丝和热氧化稳定工艺成功制造了一种低成本、无铅、高温柔性压电/热电双功能传感器。Zn(Ac) 2引发了PAN链段的预环化，并分别在溶解、稳定和碳化过程中促进其热环化和芳构化。作者在150℃热处理的纳米纤维膜中观察到了六方纤锌矿晶体结构ZnO。随着PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维热处理温度升高至550℃，纳米纤维的平均直径从0.472 μm逐渐减小至0.205 μm。未处理的PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维膜通过添加Zn(Ac) 2进行预环化。结果表明，从PAN（77.64％）到PAN/Zn(Ac) 2（88.14％）的相对环化度（Es）导致了压电输出的提高。同时，Zn(Ac) 2的添加使纳米纤维膜的环化温度从294℃降低到260℃，并且将PAN纳米纤维膜（260℃热处理）的活化能从36.424 kJ/mol提高到45.004 kJ/mol。

复合膜的形貌与结构

【传感器的高温压电性能】

研究发现，经过260℃热处理的PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维复合膜传感器的压电输出和电流可分别达到14.13 V和3.43 μA。此外，Zn(Ac) 2的添加可以显著提高薄膜的压电输出。PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维复合膜的最大输出电压和电流分别是纯PAN纳米纤维膜最大输出电压的1.5和1.2倍。450℃热处理后的PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维膜在高温环境下的输出电压可达14.86 V。此外，复合传感器经过5000次循环测试和长达2个月的环境耐受性测试后，仍能保持优异的耐用性和稳定性。更重要的是，作者首次发现了经热处理后PAN/Zn(Ac) 2的热电效应。PAN/Zn(Ac) 2复合传感器的输出电压和电流与热梯度呈线性相关，并且随着热梯度的增加有明显的提升。最后，验证了PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维复合传感器可对电容器进行充电和放电以点亮LED。

PAN/Zn(Ac)2纳米纤维复合传感器的高温压电性能

【传感器的应用】

作者验证了该装置在高温下收集能量为电子设备供电的可行性，可对电容器进行充电和放电以点亮LED。由于温度与热电输出电压之间的线性关系，PAN/Zn(Ac) 2可用作可靠且可重用的火灾报警电子传感器。作者测试了PAN/Zn(Ac) 2复合传感器在不同温度下的火灾报警触发时间。结果表明，触发时间随着温度的升高而减少（350℃为1.14秒，400℃为0.5秒，450℃为0.21秒），展现了高温下灵敏的火灾预警能力。更重要的是，这种PAN/Zn(Ac) 2复合维传感器展示了其对消防员进行安全警告的能力，可将其集成于消防员的消防服或消防帽上。这些结果表明了PAN/Zn(Ac) 2复合传感器可以在高温环境下将机械能和热能转化为电能，是一种高温柔性压电/热电多功能传感器。

PAN/Zn(Ac)2纳米纤维复合传感器的应用

结语：作者首次展示了热稳定PAN/Zn(Ac) 2纳米纤维膜在常温和高温（高达500℃）下卓越的机电转换性能，以及通过高温柔性热电/压电双功能传感器将热能转化为电能的能力。该耐高温柔性器件可以在较宽的工作温度（25-500℃）下工作，并且工作温度对压电输出影响很小。该传感器具有潜在的应用前景，可作为高温柔性热电/压电双功能传感器应用于高温环境下的消防安全、航空航天、汽车工业等领域。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285524002362

来源：高分子科学前沿

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