Voorbereiding en evaluatie van Hybrid Composites van chemische Brandstof en multi-walled koolstof nanobuisjes in de studie van thermokracht Waves

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

Als een chemische brandstof op een bepaalde positie in een hybride composiet van de brandstof en een micro / nanostructuur materiaal wordt ontstoken, chemische verbranding optreedt langs het grensvlak tussen de brandstof en kernmaterialen. Tegelijkertijd dynamische veranderingen in thermische en chemische potentialen over de micro / nano-gestructureerde materialen resulteren in gelijktijdige opwekking van elektrische energie opgewekt door ladingsoverdracht in de vorm van een high output voltage pulse. We tonen de gehele procedure van een thermokracht wave experiment, uit synthesegas te evalueren. Thermische chemische dampafzetting en het natte impregnatie worden respectievelijk gebruikt voor de synthese van een meerwandige koolstof nanobuis array en een hybride composiet van picrinezuur / natriumazide / meerwandige koolstofnanobuizen. De bereide hybride composieten worden gebruikt om een ​​thermokracht golfgenerator fabriceren met het aansluiten van elektroden. De verbranding van de hybride composiet wordt geïnitieerd door laser verwarmen of Joule-verwarming en the corresponderende verbranding voortplanting, directe elektrische energieopwekking en real-time temperatuurveranderingen worden gemeten met een high-speed microscopiesysteem, een oscilloscoop, en een optische pyrometer, respectievelijk. Bovendien, de cruciale strategieën in de synthese van hybride composiet en initiatie van de verbranding dat de totale thermokracht golf energieoverdracht verbeteren vastgesteld voorgesteld.

Introduction

Chemische brandstoffen hebben een zeer hoge energiedichtheid en zijn op grote schaal gebruikt als nuttige energie bronnen in een breed scala van toepassingen van microsystemen te macrosystemen. ¹ In het bijzonder hebben veel onderzoekers getracht chemische brandstoffen te gebruiken als bron van energie voor de volgende generatie micro / nanosystemen gebaseerde technologieën. ² echter vanwege problemen integreren WARMTEWISSELAARS in zeer kleine ruimten in micro / nano-devices, er fundamentele beperkingen op de omzetting van chemische brandstoffen in elektrische energie. Daarom is de verbranding van chemische brandstoffen voornamelijk gebruikt voor de productie van chemische of mechanische energie in micro / nanodevices zoals nanothermites of actuatoren. ^1,3

Thermokracht golven-nieuw ontwikkelde energieconversie-begrip hebben aanzienlijke aandacht getrokken als een werkwijze voor het omzetten van chemische energie van een brandstof rechtstreeks elektrisch eneRGY zonder enige conversie componenten. ^4,5 thermokracht golven worden gegenereerd met een hybride composiet van een chemische brandstof en een micro / nanostructuur materiaal. ⁵ Bij de chemische brandstof op een bepaalde positie in een hybride composiet ontstoken, chemische verbranding plaatsvindt langs de interface tussen de chemische brandstof en micro / nanostructuur materiaal. Tegelijkertijd dynamische veranderingen in thermische en chemische potentialen over de kern micro / nanostructuur materiaal resultaat bij gelijktijdig elektrische energieopwekking geïnduceerd door ladingsoverdracht in de vorm van een high output voltage pulse. Het is bewezen dat diverse micro / nano-gestructureerde materialen, zoals multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) ^4-6 en ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ Sb ₂ Te _3, ⁹ en MnO ₂ ¹⁰ micro / nano-gestructureerde materialen toestaan ​​hybride composieten om thermokracht golven te benutten en te laten zien chemisch-thermische-electrical omzetting van energie. Specifiek, kernmaterialen met een hoge Seebeck-coëfficiënt in staat de generatie van hoge uitgangsspanningen uitsluitend uit gepropageerd verbranding. Echter, andere parameters met betrekking tot identieke samenstellingen, zoals het mengsel van chemische brandstoffen massaverhouding brandstof / kern-materiaal, het fabricageproces en ontstekingsvoorwaarden kritische invloed op de algehele eigenschappen van thermokracht golven.

Hierin laten we zien hoe de productieprocessen, de vorming van een uitgelijnde chemische brandstof, en massaverhouding van brandstof / kernmaterialen invloed thermokracht golf prestaties. Op basis van een MWCNT matrix vervaardigd door thermische chemische dampafzetting (TCVD), laten we zien hoe een hybride composiet van een chemische brandstof en MWCNTs wordt voorbereid thermokracht golven energieopwekking. Ontwerp van de experimentele opstelling die de evaluatie energieconversie mogelijk wordt ingebracht samen met de betreffende experimentele metingen voor zoals verbranding propagatiop en directe elektrische energie opwekking. Verder tonen we aan dat polariteit distributie beschreven door de dynamische uitgangsspanning en specifieke piekvermogen-bepalend is de elektrische energieconversie. Deze studie zal specifieke strategieën te verstrekken aan de opwekking van energie verbeteren, en zal helpen bij het begrijpen van de onderliggende fysica van thermokracht golven. Bovendien zal het productieproces en de experimenten die hier beschreven te helpen bij de uitbreiding van mogelijkheden voor onderzoek op thermokracht golven, alsmede op chemisch-thermisch-elektrische energie conversie.

Protocol

1. Synthese van verticaal uitgelijnde meerwandige koolstof nanobuisjes (VAMWCNTs) Bereiding van wafer en depositie van katalysatorlagen Bereid een n-type (100) Si wafer. Borg een 250 nm dikke SiO2-laag op de Si wafel door thermische oxidatie of alternatieve methoden zoals sputteren. Injecteer 200 sccm O 2 3 uur 20 min bij 1000 ° C in een horizontale oven. Gebruik bulk Al 2 O 3 (99.9%) als een multi-sputter (RF vermogen: 1000 W) bron en …

Representative Results

De uitgelijnde MWCNT matrix, als een kern nanogestructureerde materiaal thermokracht golven, werd gesynthetiseerd door TCVD, 11-13 zoals getoond in figuur 4A. De diameter als gekweekte MWCNTs 20-30 nm (figuur 4B). De uitgelijnde hybride composiet volgens de picrinezuur / natriumazide / MWCNTs wordt getoond in figuur 5A. Deze samengestelde werd gesynthetiseerd door het natte impregnatie werkwijze 14 zoals beschreven in de paragraaf protocol. Om een …

Discussion

De protocollen van thermokracht golf experimenten te betrekken kritische stappen die ideaal thermische golfvoortplanting evenals elektrische energieopwekking mogelijk te maken. Ten eerste, de specifieke positie van ontsteking en de overeenkomstige reactie overdracht aanzienlijk factoren beheersen energieomzetting van thermokracht golven. Ontsteking aan één uiteinde van de hybride composiet gelanceerd geleid verbranding langs de interfaces tussen de kernmaterialen en chemische brandstof in één richting. Echter, gloei…

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