Small Methods: 光电和气敏性能串联构筑多因素火灾报警模拟系统

原创署名:SMTD

火灾是威胁公共安全和社会发展最频繁、最常见的灾害之一。每年,火灾造成的死亡人数是飓风、龙卷风、洪水和地震的20倍。准确的火灾预警关系到人们的生命财产安全。火灾的发生通常伴随着有害气体、烟雾颗粒及高温的产生。最常用的火灾报警器是基于对气体、烟雾颗粒或温度等其中单一因素的检测。因此容易受到外界干扰(如水汽、粉尘)造成误报。多因素检测是提高报警准确性的有效方法。目前最常用的方法是将不同的单因素传感器组合成一个报警器。而复杂的集成技术、高的制造成本是限制这一类报警器发展的关键因素。因此,在同一种材料中实现多重因素同时检测是解决上述问题最好的方法。

福建物质结构研究所徐刚研究员和王观娥研究员组成的团队首次实现了同一材料对烟雾颗粒和气体的高灵敏检测,为构建多因素检测火灾的报警器提供了研究思路。作者在固液界面首次制备了自组装的Pb5S2I6纳米线网筛膜。该网筛膜不仅对火灾中特征气体NO2具有高灵敏的响应,而且可以探测烟雾颗粒对内置光源产生的散射光,间接检测火灾中烟雾颗粒。之后,作者基于材料的上述特性构建了多因素火灾报警器,并设计了“两步验证法”火灾预警模拟电路,即只有当气体和烟雾同时存在时,该报警器才判断火灾的发生。这种“两步验证法”可有效消除单一因数检测火灾时,环境因素带来的干扰,从而降低误报率。

图文导读

图 1. Pb5S2I6纳米线的合成及表征。(a) Pb5S2I6纳米线网筛膜的合成示意图。(b) Pb5S2I6的结构示意图。(c) Pb5S2I6纳米线网筛膜的SEM图像。(d) Pb5S2I6纳米线网筛膜的PXRD衍射图。(e) Pb5S2I6纳米线网筛膜的紫外-可见吸收光谱。

图 2. Pb5S2I6纳米线网筛膜的光电性能。(a) 明、暗条件下的I-V特性曲线。(b) 波长依赖的光响应图。(c) 在500 nm不同光强下的光响应图。(d) 光电流随光强度的线性关系图。(e) 500 nm光下的循环稳定性图。(f) 在空气、干燥空气和N2中的光电流图。

图 3. Pb5S2I6纳米线网筛膜的气体传感性能。(a) 对不同浓度的NO2的室温响应图。(b) 响应值和浓度的双对数曲线以及与其他非复合硫化物材料的对比图。(c) 100 ppm NO2的响应-恢复曲线。(d) 对不同气体的响应柱状图。

图 4. 模拟火灾预警的“两步验证”电路图。(a) 模拟火灾环境中的报警机理图 (I: 正常工作状态;II: 气体进入报警器,响应电流达到开灯报警限值,不是火灾的情况下,没有烟雾颗粒产生,因此不会引起电流的进一步变化;III: 火灾产生的烟雾颗粒散射内置光路的光,引起电流的进一步增大,触发报警)。(b) 传感器在模拟火灾环境下的电流响应曲线。

论文信息:

Cascading Photoelectric Detecting and Chemiresistive Gas-Sensing Properties of Pb5S2I6 Nanowire Mesh for Multi-Factor Accurate Fire Alarm

Gui-Qian Huang, Ying-Xue Jin, Shao-Zhen Luo, Zhi-Hua Fu, Guan-E Wang*, Gang Xu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200470

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202200470