Préparation et évaluation des composites hybrides de carburant chimique et multi-parois des nanotubes de carbone dans l'étude des ondes thermoélectrique

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

Lorsqu'un combustible chimique à une certaine position dans un composite hybride de combustible et un matériau / nanostructurée de micro est allumé, la combustion se produit chimique le long de l'interface entre les matériaux combustibles et le noyau. Simultanément, des changements dynamiques dans potentiels thermiques et chimiques à travers les matériaux micro / nanostructurés entraînent concomitante génération d'énergie électrique induite par transfert de charge sous la forme d'une impulsion de haute tension de sortie. Nous démontrons l'ensemble de la procédure d'une expérience d'onde thermoélectrique, de la synthèse de l'évaluation. Dépôt thermique chimique en phase vapeur et le procédé d'imprégnation par voie humide sont respectivement utilisés pour la synthèse d'une matrice à plusieurs parois de nanotubes de carbone et un composite hybride d'azoture / acide picrique de sodium / nanotubes de carbone multi-parois. Les composites hybrides préparés sont utilisés pour fabriquer un générateur d'onde thermoélectrique avec des électrodes de connexion. La combustion du composite hybride est initiée par chauffage de Joule-laser ou de chauffage, et ee correspondant propagation de combustion, production d'énergie électrique direct et en temps réel les changements de température sont mesurées en utilisant un système à grande vitesse microscopie, un oscilloscope et un pyromètre optique, respectivement. En outre, les stratégies cruciales soient adoptées dans la synthèse du composite hybride et l'initiation de leur combustion qui améliorent le transfert global de l'énergie des vagues de thermoélectrique sont proposés.

Introduction

Combustibles chimiques ont une densité énergétique très élevé et ont été largement utilisés comme sources d'énergie utiles dans une large gamme d'applications de microsystèmes à macrosystèmes. ¹ En particulier, de nombreux chercheurs se sont efforcés d'utiliser des combustibles chimiques comme source d'énergie pour la prochaine génération de micro / nanosystèmes technologies basées sur ^deux. Toutefois, en raison de la difficulté à intégrer les composants de conversion d'énergie en très petits espaces en micro / nano, il ya des limites fondamentales à la conversion des combustibles chimiques en énergie électrique. Par conséquent, la combustion de combustibles chimiques a été principalement utilisé pour la production d'énergie chimique ou mécanique dans les micro / nano-dispositifs tels que nanothermites ou microactionneurs ^1,3.

Vagues-une conversion d'énergie thermoélectrique nouvellement développé concept ont attiré une attention considérable en tant que méthode pour convertir l'énergie chimique d'un combustible directement à ène électriqueRGY sans utiliser de composants de conversion. ^4,5 ondes thermoélectrique peuvent être générés en utilisant un composite hybride d'un combustible chimique et d'un matériau micro / nanostructurée. ⁵ Lorsque le combustible chimique à une certaine position dans un composite hybride est allumé, la combustion chimique se produit le long de l'interface entre le combustible et la matière chimique micro / nanostructurée. Simultanément, des changements dynamiques dans potentiels thermiques et chimiques à travers le résultat de matériel micro / nanostructurée de base dans concomitante génération d'énergie électrique induite par transfert de charge sous la forme d'une impulsion de haute tension de sortie. Il a été prouvé que les matériaux micro / nanostructurés diverses comme les nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) ^4-6 et ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ Sb ₂ Te _3, ⁹ et ¹⁰ MnO ₂ matériaux micro / nanostructurés permettent composites hybrides d'utiliser les ondes thermoélectrique et montrer chimico-thermique-électricienconversion d'énergie cal. Plus précisément, les matériaux de base avec un fort coefficient Seebeck permettent la génération de tensions de sortie élevées uniquement à partir de la combustion propagé. Cependant, d'autres paramètres relatifs à composites identiques, tels que le mélange de combustibles chimiques, le ratio masse de carburant / CORE-matériaux, le processus de fabrication et les conditions d'allumage affectent gravement les propriétés globales de vagues thermoélectrique.

Ici, nous montrons comment les procédés de fabrication, la formation d'un combustible chimique alignés, et de ratio masse des matériaux / de base de carburant affectent les performances d'onde thermoélectrique. Sur la base d'une matrice MWCNT fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur thermique (TCVD), nous montrons comment un composite hybride d'un combustible chimique et est préparé pour MWCNTs onde de la production d'énergie thermoélectrique. La conception du dispositif expérimental qui permet l'évaluation de la conversion de l'énergie est introduite en même temps que des mesures expérimentales correspondant à des processus tels que propagati de combustionet sur la production d'énergie électrique directe. De plus, nous démontrons que la polarité de distribution-décrit par la tension de sortie de crête dynamique et spécifique détermine fondamentalement la mise sous tension de la conversion d'énergie électrique. Cette étude fournira des stratégies spécifiques pour améliorer la production d'énergie, et vous aidera à comprendre la physique sous-jacentes de vagues thermoélectrique. En outre, le processus de fabrication et expériences décrites ici aideront à étendre les possibilités de recherche sur les ondes thermoélectrique, ainsi que sur la conversion de l'énergie chimique-thermique-électrique.

Protocol

1. Synthèse de alignés verticalement multi-parois des nanotubes de carbone (VAMWCNTs) Préparation de la plaque et le dépôt de couches de catalyseur Préparer un de type n (100) tranche de Si. Déposer une 250 nm d'épaisseur couche de SiO 2 sur la tranche de silicium par oxydation thermique ou d'autres méthodes telles que la pulvérisation. Injecter 200 sccm d'O 2 pendant 3 heures 20 min à 1000 ° C dans un four horizontal. Utilisation mass…

Representative Results

Le tableau MWCNT alignés, comme un matériau nanostructuré de base pour les ondes thermoélectrique, a été synthétisé par TCVD, de 11 à 13 comme représenté sur la figure 4A. Le diamètre des MWCNT comme cultivés est de 20 à 30 nm (figure 4B). Le composite hybride alignée des picrique / acide d'azide de sodium / MWCNT est représenté sur la figure 5A. Ce composite a été synthétisé par le procédé d'imprégnation par voie humide, comme…

Discussion

Les protocoles d'expériences d'onde thermoélectrique impliquent étapes critiques qui permettent la propagation des ondes thermiques idéale ainsi que la production d'énergie électrique. En premier lieu, la position spécifique de l'allumage et le transfert de la réaction sont des facteurs importants correspondant à contrôler la conversion d'énergie des vagues thermoélectrique. À une extrémité d'allumage du composite hybride lancé guidé combustion le long des interfaces entre les ma…

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