本研究报告了热电三维多孔激光诱导石墨烯泡沫的设计、评估和应用。该泡沫使用简单低成本的激光直写技术，结合预应变策略和高性能热电元件聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)，形成可拉伸热电3D多孔石墨烯泡沫纳米复合材料用于解耦和自供电传感。多孔石墨烯中的π电子在PEDOT:PSS中进行π-π共轭，从而改变PEDOT:PSS基体内聚合物链的排列，从而提高塞贝克系数和热电性能。从热电多孔石墨烯泡沫基材料测量的电阻和电压分别提供了应变（最大计量系数为1401.5）和温度（分辨率为0.5°C）的解耦检测。
基于多孔石墨烯泡沫的材料的制造始于含碳材料的激光直写，例如商业聚酰亚胺（PI）膜，以创建图案化的多孔石墨烯传感器（图1a）。将弹性体如聚二甲基硅氧烷（PDMS）前体渗透到多孔石墨烯泡沫中，然后固化，将它们从PI上剥离，从而得到厚度约为100 μm的PDMS上的可拉伸多孔石墨烯泡沫。300 μm。具有大量随机堆叠的2D石墨烯薄片的多孔3D石墨烯泡沫对应变高度敏感，并表现出良好的热电性能以响应温差。由周围环境和皮肤之间的温差驱动的所得可拉伸热电石墨烯泡沫基材料（图1b）提供了自供电和解耦的温度和应变感测，用于原位伤口愈合监测和远程火灾警报警告（图1b-d）。
图1.激光诱导石墨烯热电多孔纳米复合材料的总体设计与应用。a.基于多孔石墨烯泡沫的自供电传感器的制造、（b）结构和应用，用于解耦检测温度和应变，以（c）在小鼠中原位监测伤口愈合，以及（d）远程火警警报。PDMS：聚二甲基硅氧烷，PI：聚酰亚胺，PEDOT：PSS：聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）/聚（苯乙烯磺酸盐）。
通过两个并联连接的珀耳帖热电模块（一个加热器和一个冷却器）在可拉伸复合膜上建立的热梯度（ΔT）表征其热电性质（图2a）。随着温度梯度的增加，电流-电压（I-V）曲线随着产生的热电势的x截距增加而移动，斜率几乎不变（图2b）。多孔石墨烯泡沫的热电电压Vth（或电流）随着温度梯度ΔT（图2c）而增加，遵循线性关系，斜率表示塞贝克系数ST为9.703 μV/°C（图2d）。对于0.5 °C的小温度梯度ΔT（图2e），产生的热电电压仍然高达1.6 μV，使其能够收集低等级的环境热量并灵敏地检测温度变化。当拉伸应变从0增加到45%时，几乎线性的I-V曲线随着电阻的增加和斜率的减小仍然表现出欧姆特性（图2f）。多孔石墨烯泡沫还显示出对所施加的5%至45%的拉伸应变的高度可重复的（图2g）和灵敏的响应（图2h）。虽然相对小的拉伸应变导致多孔石墨烯的变形和旋转，但大的拉伸产生微裂纹以引起显著的电阻变化，导致在拉伸时增加计量因子。
图2.响应于温度梯度和拉伸应变的多孔石墨烯泡沫的表征。a测量的实验装置示意图（ΔT=T1-T2）。B传感器在温度梯度ΔT=0、1、3、6、9、12和15 °C时的I-V曲线。c热电电压随ΔT在1至15 °C范围内的变化及其（d）线性拟合，以确定塞贝克系数。e设备对0.5 °C的偏置最小温度梯度的输出响应信号。f传感器响应于0 – 45%拉伸应变的I-V曲线。在5 – 45%的拉伸应变范围内，作为（g）时间和（h）应变的函数的相对电阻变化，在图中标记了应变系数（GF）。标准差（SD）显示为误差线（n=3）。i在0.05、0.1、0.2、0.4和0.8%的细微应变水平下，传感器的相对电阻变化。
本征多孔石墨烯泡沫的热电性质可以通过预应变策略（图1a）与PEDOT：PSS形成纳米复合材料（图3a）来进一步增强。在拉伸时用PEDOT：PSS填充微裂纹表面也增加了电导率。与本征多孔石墨烯泡沫相比，具有PEDOT：PSS的纳米复合材料显示出从9.703至37.33 μV/°C显著增加384.73%的塞贝克系数（图3c）和从0.5至0.2 °C改善的温度分辨率。然而，由于多孔石墨烯纹理的损失，纳米复合材料的拉伸性和灵敏度略微降低（图3d）。当施加的偏置电压从0.5 V降低到5 μV时，可拉伸纳米复合材料显示出几乎不变的感测性能（图3e），表明测量电路中的能耗大幅降低。由代表性的日常物体（例如，酒精、手指和热水瓶）可以容易地被捕获（图3f），其中来自挥发性酒精的吸热反应产生负温度梯度，导致反向电压输出。可以解耦应变和温度的纳米复合材料（图3g）允许实时检测人体运动，同时收集热能（对于手指和环境之间的ΔT= 2.5 °C，具有100 μV的热电电压）（图3h）用于自供电感测。
图3.多孔石墨烯泡沫与PEDOT：a PSS纳米复合材料的设计与验证基于纳米复合材料的可拉伸热电传感器的结构示意图。b纳米复合材料的XPS S2p谱。纳米复合材料的c塞贝克系数和d应变敏感性的性能（与固有的多孔石墨烯泡沫相比）。e偏置电压对应变传感的影响。f响应于酒精、手指和热水瓶的热电电压。g示意图和h演示手指上的纳米复合材料，用于在采集热能的同时检测运动。
用于火灾报警的温度和应变的自供电解耦感测。随着与火源的距离从3cm减小到0.2cm（相同的持续时间为2s），基于纳米复合材料的传感器的热电电压逐渐增加（图4a）。当距火源的距离保持在0.2cm时，热电电压也随着从0.1 s到2.5 s的持续时间的增加而逐渐增加（图4b），然后在4 s的停留时间处饱和，这对于其他距离也是如此（即，3、2和1 cm）。来自火灾的超过限定阈值的即时电压增加可以由后端设备处理以触发红灯并在警报系统中发出警报（或其他警告）（图4c）。因此，该设备系统可以很容易地检测到异常的温度升高（图4d）和模拟的实验室和森林火灾（图4e）。
图4.一种基于热电纳米复合材料的智能火灾报警系统。（a）位于不同位置（3-0.2 cm）和（B）具有不同持续时间（0.1-2.5 s）的火源检测。c.火灾报警系统结构示意图及其探测（d）火灾和高温以及模拟（e）实验室火灾的演示。
Thermoelectric porous laser-induced graphene-based strain-temperature decoupling and self-powered sensing
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55790-x
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