הכנה והערכה של חומרים מרוכבים היברידיים כימי דלק ורב חומת פחמן בחקר גלי Thermopower
Summary
A protocol for conducting thermopower wave experiments is presented. The synthesis of hybrid composites of a chemical fuel and micro/nanostructured material, manufacturing of a thermopower wave generator, and methods for measuring the corresponding physical phenomena are described.
Abstract
כאשר דלק כימי במיקום מסוים במרוכבים היברידית של הדלק וחומר / nanostructured מייקרו הצית, בעירה כימית מתרחשת לאורך הממשק בין חומרי הדלק וליבה. במקביל, שינויים דינמיים בפוטנציאלים תרמיים וכימיים על פני חומרי מיקרו / nanostructured לגרום לדור אנרגיה חשמלי נלווה הנגרם על ידי העברת מטען בצורה של דופק מתח גבוהה-תפוקה. אנו מדגימים את ההליך כולו של ניסוי גל thermopower, מסינתזה להערכה. בתצהיר אדים כימיים תרמי ותהליך הספגה הרטוב בהתאמה מועסק לסינתזה של מערך צינורות פחמן רב חומה ומרוכבים היברידי של אזיד חומצה / נתרן picric / צינורות פחמן רב חומה. חומרים מרוכבים ההיברידי מוכנים משמשים לפברק גנרטור גל thermopower עם אלקטרודות חיבור. הבעירה של המורכב ההיברידי היא ביוזמת חימום לייזר או ג 'אול-חימום, וההתפשטות דואר מקביל בעירה, דור אנרגיה החשמלי ישיר, וזמן אמת שינויי טמפרטורה נמדדים באמצעות מערכת במהירות גבוהה מיקרוסקופיה, אוסצילוסקופ, וpyrometer אופטי, בהתאמה. יתר על כן, האסטרטגיות המכריעות שתאומצנה בסינתזה של רוכבים וייזום של הבעירה שלהם, המשפרות את העברת אנרגיית גל thermopower הכוללת היברידיים מוצעים.
Introduction
יש לי דלקים כימיים צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד והיה בשימוש נרחב כמקורות אנרגיה שימושיים במגוון רחב של יישומים מMicrosystems לmacrosystems. 1 בפרט, חוקרים רבים ניסו להשתמש בדלקים כימיים כמקור האנרגיה למייקרו / ננו הדור הבא טכנולוגיות מבוססות. 2 עם זאת, בשל הקושי בשילוב רכיבי המרת האנרגיה בחללים קטנים מאוד במייקרו / nanodevices, יש מגבלות בסיסיות להמרה של דלקים כימיים לאנרגיה חשמלית. לכן, שריפת דלקים כימיים בעיקר הועסקה לייצור אנרגיה כימית או מכאנית במייקרו / nanodevices כגון nanothermites או microactuators. 1,3
מושג-שגלים-Thermopower המרת אנרגיה חדשה שפותחה משך תשומת לב רבה כשיטת להמרת האנרגיה הכימית של דלק ישירות לENE החשמליתיכולים להיות שנוצרו rgy ללא שימוש בכל מרכיבי המרה. 4,5 גלי Thermopower באמצעות מרוכבים היברידיים של דלק כימי וחומר מיקרו / nanostructured. 5 כאשר הדלק הכימי במיקום מסוים במרוכבים היברידי הצית, בעירה כימית מתרחשת לאורך הממשק בין הדלק הכימי וחומר מיקרו / nanostructured. במקביל, שינויים דינמיים בפוטנציאלים תרמיים וכימיים על פני תוצאת חומר מיקרו / nanostructured ליבה בדור אנרגיה חשמלי נלווה הנגרם על ידי העברת מטען בצורה של דופק מתח גבוהה-תפוקה. הוכח כי חומרי מיקרו / nanostructured מגוונות כגון צינורות פחמן רב חומה (MWCNTs) 4-6 וZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 3 טה, 9 וMNO 2 10 חומרי מיקרו / nanostructured לאפשר מרוכבים היברידיים לנצל גלי thermopower ולהראות כימי-תרמי-חשמלייהמרת אנרגיית cal. באופן ספציפי, חומרי ליבה עם מקדם Seebeck גבוה מאפשרים את הדור של מתח גבוה פלט אך ורק משריפה מופצת. עם זאת, פרמטרים אחרים הנוגעים לחומרים מרוכבים זהים, כגון התערובת של דלקים כימיים, יחס בין מסה של דלק / ליבה-חומרים, תהליך הייצור, ותנאי הצתה ביקורתי משפיעים על התכונות הכללית של גלי thermopower.
במסמך זה, אנו מראים כיצד תהליכי הייצור, הקמתה של דלק כימי מיושר, ויחס בין מסה של חומרים / ליבת דלק משפיעים על ביצועי גל thermopower. על בסיס מערך MWCNT המפוברק על ידי שיקוע כימי תרמי (TCVD), אנו מראים כיצד מרוכבים היברידיים של דלק כימי וMWCNTs מוכן לייצור אנרגיית גל thermopower. עיצוב של הגדרת הניסוי המאפשרת ההערכה של המרת אנרגיה הוא הציג יחד עם מקביל מדידות ניסיוניות לתהליכים כגון propagati בעירהובדור אנרגיה חשמלי ישיר. יתר על כן, אנו מראים כי קוטביות הפצה-תואר על ידי מתח המוצא הדינמי ושיא ספציפי כוח מכריע קובע את המרת האנרגיה החשמלית. מחקר זה יספק אסטרטגיות ספציפיות כדי לשפר את דור אנרגיה, ויסייע בהבנת הפיזיקה הבסיסית של גלי thermopower. יתר על כן, תהליך הייצור והניסויים שתוארו כאן יעזרו בהארכת הזדמנויות מחקר על גלי thermopower, כמו גם על המרת אנרגיה כימית-תרמי-חשמל.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקולים של ניסויי גל thermopower כרוכים שלבים קריטיים המאפשרים התפשטות גל תרמי אידיאלית, כמו גם דור אנרגיה חשמלי. ראשית, העמדה הספציפית של הצתה והעברת התגובה המקבילה גורמים רבים בשליטה המרת אנרגיה מגלי thermopower. הצתה בקצה אחד של מרוכבים היברידיים השיקה מודרכת בעירה לאו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי תכנית מחקר המדע בסיסי באמצעות קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF), ממומנת על ידי משרד החינוך, המדע והטכנולוגיה (NRF-2013R1A1A1010575), ועל ידי תכנית Nano מו"פ באמצעות מדע קוריאה וקרן הנדסה במימון על ידי משרד חינוך, המדע והטכנולוגיה (NRF-2012M3A7B4049863).
Materials
| 4” n-type silicon wafer | Unisill | 4” Si-wafer | ||
| Al2O3 | TAEWON | A-1008 | 99.9999% Purity | |
| Fe | Sigma Aldrich | 267945 | 99.9999% Purity | |
| Ar | Seoul specialty gas | Ar(N60) | 99.9999% Purity | |
| C2H4 | Seoul specialty gas | C2H4 | 99.5% Purity | |
| H2 | Seoul specialty gas | 
|
99.9999% Purity | |
| Silver paste | Fujikura Kasei | D-550 | ||
| Picric acid | Sigma Aldrich | 197378 | ＞98% Purity Highly toxic |
|
| Sodium azide | Sigma Aldrich | S2002 | ＞99.5% Purity | |
| Acetonitrile | Sigma Aldrich | 271004 | 99.8% Purity | |
| Power supply | Mastech | HY3010 | ||
| TCVD | Scientech | TCVD | ||
| Oscilloscope | Tektronix | DPO2004B | ||
| High-speed microscopy system | Phantom | V7.3 |
References
- Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R. Q., Zhang, K. L. Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications. Acs Appl Mater Inter. 6, 3058-3074 (2014).
- Zhang, K., Chou, S., Ang, S., Tang, X. A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter. Sensors and Actuators A: Physical. 122, 113-123 (2005).
- Zhang, W. C., et al. Significantly Enhanced Energy Output from 3D Ordered Macroporous Structured Fe2O3/Al Nanothermite Film. Acs Appl Mater Inter. 5, 239-242 (2013).
- Choi, W., Abrahamson, J. T., Strano, J. M., Strano, M. S. Carbon nanotube-guided thermopower waves. Materials Today. 13, 22-33 (2010).
- Choi, W., et al. Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves. Nat Mater. 9, 423-429 (2010).
- Abrahamson, J. T., et al. Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources. Acs Nano. 5, 367-375 (2011).
- Walia, S., et al. ZnO based thermopower wave sources. Chem Commun. 48, 7462-7464 (2012).
- Walia, S., et al. Sb2Te3 and Bi2Te3 based thermopower wave sources. Energ Environ Sci. 4, 3558-3564 (2011).
- Hong, S., et al. Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays. J Phys Chem C. 117, 913-917 (2013).
- Walia, S., et al. MnO2-Based Thermopower Wave Sources with Exceptionally Large Output Voltages. J Phys Chem C. 117, 9137-9142 (2013).
- Aria, A. I., Gharib, M. Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays. J Vis Exp. , (2013).
- Zhao, Y., Tang, Y., Star, A. Synthesis and functionalization of nitrogen-doped carbon nanotube cups with gold nanoparticles as cork stoppers. J Vis Exp. , e50383 (2013).
- Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M., Hart, A. J. Fabrication, densification, and replica molding of 3D carbon nanotube microstructures. J Vis Exp. , (2012).
- Grimme, S. Do Special Noncovalent π–π Stacking Interactions Really Exist. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3430-3434 (2008).
- Yeo, T., et al. Effects of chemical fuel composition on energy generation from thermopower waves. Nanotechnology. 25, (2014).
- Hong, S., et al. Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 913-917 (2013).
- Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Physical review letters. 87, 215502 (2001).
- Garner, W., Abernethy, C. Heats of combustion and formation of nitro-compounds. Part I. Benzene, toluene, phenol and methylaniline series. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 99, 213-235 (1921).
- Passingham, C., Hendra, P. J., Hodges, C., Willis, H. A. The Raman spectra of some aromatic nitro compounds. Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. 47, 1235-1245 (1991).
- Rinkenbach, W. H. The Heats Of Combustion And Formation Of Aromatic Nitro Compounds. Journal of the American Chemical Society. 52, 115-120 (1930).
