Preparação e Avaliação de compósitos híbridos de Chemical Combustíveis e de paredes múltiplas Nanotubos de Carbono no estudo das ondas termoelétricas

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

Quando um combustível químico a uma determinada posição em um composto híbrido do combustível e um material micro / nanoestruturada é inflamada, de combustão química ocorre ao longo da interface entre os materiais combustíveis e do núcleo. Simultaneamente, as alterações dinâmicas potenciais térmicas e químicas, através dos materiais micro / nanoestruturados resultar na geração de energia eléctrica concomitante induzida por transferência de carga sob a forma de um impulso de tensão de alta saída. Demonstramos todo o procedimento de uma experiência onda thermopower, de síntese para avaliação. Deposição química de vapor e o processo de impregnação húmida são, respectivamente, empregue para a síntese de uma matriz de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e um composto híbrido de ácido pícrico de azida de sódio / / nanotubos de carbono de paredes múltiplas. Os compósitos híbridos preparados são usados ​​para fabricar um gerador de ondas thermopower com eletrodos de conexão. A combustão do composto híbrido é iniciada por aquecimento a laser ou de Joule-aquecimento, e the correspondente de propagação de combustão, de geração de energia elétrica direta, e em tempo real as mudanças de temperatura são medidos através de um sistema de alta velocidade microscopia, um osciloscópio e um pirômetro óptico, respectivamente. Além disso, as estratégias cruciais a serem adotadas na síntese de compósitos híbridos e início de sua combustão que aumentem a transferência global de energia das ondas thermopower são propostos.

Introduction

Combustíveis químicos têm muito alta densidade de energia e têm sido amplamente utilizados como fontes de energia úteis em uma ampla gama de aplicações de microssistemas para macrossistemas. ¹ Em particular, muitos pesquisadores têm se esforçado para usar combustíveis químicos como fonte de energia para a próxima geração de micro / nanosystems tecnologias baseados ^2. No entanto, devido à dificuldade de integração de componentes de conversão de energia em extremamente pequenos espaços em micro / nanodispositivos, existem limitações fundamentais para a conversão de combustíveis química em energia elétrica. Por conseguinte, a combustão de combustíveis químicos tem sido principalmente utilizado para a produção de energia química ou mecânica nas micro / nano-dispositivos tais como nanothermites ou microactuadores ^1,3.

Ondas-a termoelétrica de conversão de energia recém-desenvolvido conceito-atraíram considerável atenção como um método para converter a energia química de um combustível diretamente para ene elétricarg sem utilizar quaisquer componentes de conversão. ^4,5 thermopower ondas pode ser gerado usando um composto híbrido de um combustível químico e um material micro / nanoestruturada. ⁵ Quando o combustível químico a uma determinada posição em um composto híbrido é inflamada, de combustão química ocorre ao longo a interface entre o combustível químico e do material de micro / nanoestruturada. Simultaneamente, as alterações dinâmicas potenciais térmicas e químicas, em toda a micro / nanoestruturada resultado material do núcleo na geração de energia eléctrica concomitante induzida por transferência de carga sob a forma de um impulso de tensão de alta saída. Provou-se que diversos materiais micro / nanoestruturados tais como nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) ^4-6 e ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ Sb ₂ Te _3, ⁹ e _MnO2 ¹⁰ materiais micro / nanoestruturados permitir compósitos híbridos utilizar ondas termoelétricas e mostrar químico-térmico-electriconversão de energia cal. Especificamente, os materiais de núcleo com um coeficiente de Seebeck elevados permitem que a geração de tensões de saída exclusivamente a partir de combustão propagada. No entanto, outros parâmetros relativos aos compostos idênticos, tais como a mistura de combustíveis químicos, proporção de massa de combustível / núcleo-primas, o processo de fabrico, e as condições de ignição afectar criticamente as propriedades globais de ondas termelétricas.

Aqui, vamos mostrar como os processos de fabricação, formação de um combustível químico alinhados, e razão de massa de materiais / núcleo de combustível afetar o desempenho onda thermopower. Na base de uma matriz de MWCNT fabricada por deposição química de vapor (TCVD), mostra-se como um composto híbrido de um combustível químico e MWCNTs é preparado para a geração de energia das ondas thermopower. Concepção da configuração experimental que permite a avaliação de conversão de energia é introduzido juntamente com os dados experimentais correspondentes para os processos de combustão tais como propagation e geração de energia elétrica direta. Além disso, nós demonstramos que a polaridade de distribuição descritos por a tensão de saída e dinâmico pico específico poder-crucialmente determina a conversão da energia eléctrica. Este estudo irá fornecer estratégias específicas para aumentar a geração de energia, e vai ajudar na compreensão da física subjacentes de ondas termoelétricas. Além disso, o processo de fabricação e experiências descritas aqui vai ajudar no alargamento das oportunidades de pesquisa em ondas termoelétricas, bem como na conversão de energia química-termo-elétrica.

Protocol

1. Síntese de alinhados verticalmente de paredes múltiplas nanotubos de carbono (VAMWCNTs) Preparação de bolacha e deposição de camadas de catalisador Preparar um tipo-n (100) bolacha de Si. Depositar a 250 nm de espessura de camada de SiO 2 na bolacha de Si por oxidação térmica ou métodos alternativos, tais como a pulverização catódica. Injectar 200 sccm de O2 durante 3 h 20 min a 1000 ° C num forno horizontal. Usar grandes quantidades de Al <s…

Representative Results

A matriz MWCNT alinhados, como um material nanoestruturado do núcleo para ondas termelétricas, foi sintetizado por TCVD, 11-13, conforme mostrado na Figura 4A. O diâmetro de MWCNTs-cultivadas como é de 20-30 nm (Figura 4B). O composto híbrido alinhado dos ácido pícrico / azida de sódio / MWCNTs é mostrado na Figura 5A. Este composto foi sintetizado por um processo de impregnação molhada, 14 como descrito na secção de protocolo. De modo…

Discussion

Os protocolos de experimentos onda termelétricas envolvem passos críticos que permitem a propagação da onda térmica ideal, bem como a geração de energia elétrica. Em primeiro lugar, a posição específica de ignição e a transferência correspondente reacção são factores importantes no controlo da conversão de energia a partir de ondas termelétricas. Ignition em uma extremidade do compósito híbrido lançado guiada combustão ao longo das interfaces entre os materiais de núcleo e combustíveis químicos…

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	H2(N60)	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