Thermopower Dalgalarının Çalışmasında Kimyasal Yakıt ve Multi-duvarlı Karbon Nanotüpler Hibrit Kompozitlerin Hazırlanması ve Değerlendirilmesi
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
Yakıt ve mikro / nano yapılı malzemenin bir hibrid kompozit belli bir pozisyonda bir kimyasal yakıt ateşlendiğinde, kimyasal yanma yakıt ve çekirdek malzeme arasındaki ara yüzey boyunca meydana gelir. Aynı zamanda, mikro / nano yapılı malzemeler arasında ısı ve kimyasal potansiyel dinamik değişimler, yüksek çıkış voltajı nabız şeklinde yük transferi neden birlikte elektrik enerji üretimi ile sonuçlanır. Biz sentezden değerlendirilmesi, bir thermopower dalga deney tüm prosedürü göstermektedir. Termal kimyasal buhar biriktirme ve ıslak emprenye işlemi, sırasıyla, bir çok duvarlı karbon nanotüp dizisinin sentezi ve pikrik asit / sodyum azid / çok duvarlı karbon nanotüp melez bileşik için kullanılmaktadır. Hazırlanan hibrid kompozit bağlantı elektrotların bulunduğu bir thermopower dalga jeneratörü imal etmek için kullanılır. hibrid kompozit yanma lazer ısıtma veya Joule ısıtma ve th tarafından başlatılane karşılık gelen yanma yayılması, doğrudan elektrik enerjisi üretimi, gerçek zamanlı sıcaklık değişimleri sırasıyla, bir yüksek hızlı mikroskopi sistemi, bir osiloskop, ve bir optik pirometreyi kullanılarak ölçülür. Ayrıca, önemli stratejiler hibrid kompozit ve genel thermopower dalga enerji transferi geliştirmek onların yanma başlaması sentezinde kabul edilmesi önerilmiştir.
Introduction
Kimyasal yakıtlar çok yüksek enerji yoğunluğuna sahip ve yaygın makrosistemlere mikrosistemlerin uygulamaların geniş bir yelpazede kullanılabilir enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. 1 Özellikle, pek çok araştırmacı nesil mikro / nano için enerji kaynağı olarak kimyasal yakıtları kullanmak için çalıştık tabanlı teknolojiler. 2 Bununla birlikte, mikro / nanocihazların son derece küçük alanlarda enerji dönüşüm bileşenleri entegre zorluk nedeniyle, elektrik enerjisine çeviren kimyasal yakıtların dönüşüm temel sınırlamalar vardır. Bu nedenle, kimyasal yakıtların yanma esas olarak nanothermites veya mikro aktuatörler mikro / nanocihazların kimyasal ya da mekanik enerji üretimi için kullanılmıştır. 1,3
Thermopower dalgaları-yeni geliştirilmiş bir enerji dönüşüm kavram olan elektrik ene doğrudan bir yakıtın kimyasal enerjiyi dönüştürmek için bir yöntem olarak büyük ilgiherhangi bir dönüştürme bileşenleri kullanılmamalıdır rgy. 4,5 thermopower dalgalar kimyasal yakıt karma bileşik ve bir mikro / nano yapılı malzeme kullanılarak oluşturulabilir. melez bileşik içindeki belirli bir konumda kimyasal yakıt ateşlendiğinde 5, kimyasal yanma boyunca meydana Kimyasal yakıt ve mikro / nanoyapılı malzeme arasındaki arayüz. Aynı zamanda, bir yüksek çıkış voltajı nabız şeklinde yük transferi neden birlikte elektrik enerji üretiminde çekirdek mikro / nano yapılı malzeme sonuç üzerinde termal ve kimyasal potansiyel dinamik değişimler. Bu tür çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNTs) 4-6 ve ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 ve MnO 2 gibi çeşitli mikro / nano yapılı malzemeler 10 mikro / nano yapılı malzemeler melez kompozitler izin kanıtlanmıştır thermopower dalgaları kullanmak ve kimyasal-termal-elektrikli göstermek içincal enerji dönüşüm. Özellikle, yüksek Seebeck katsayısı ile çekirdek malzemeler sadece yayılır yanma gelen yüksek çıkış gerilimlerinin oluşmasını sağlar. Bununla birlikte, bu tip kimyasal yakıtların yakıt / çekirdek-malzemeler, üretim sürecinin kütle oranı ve ateşleme koşulları karışımı olarak aynı bileşiklerle ilgili diğer parametreler kritik thermopower dalgalar genel özelliklerini etkiler.
Burada, imalat yöntemleri, hizalanmış bir kimyasal yakıt oluşumu ve yakıt / çekirdek malzemelerinin kütle oranı thermopower dalga performansını nasıl etkilediğini gösterir. Termal, kimyasal buhar biriktirme (TCVD) tarafından imal edilmiş bir MWCNT dizi temelinde, bir kimyasal yakıt ve MWCNTs melez bir bileşik thermopower dalga enerjisi üretimi için hazırlanır şeklini göstermektedir. Enerji dönüşüm değerlendirilmesini sağlar deney düzeneği tasarımı gibi yanma propagati gibi işlemler için deneysel ölçümler gelen ile birlikte tanıtıldıve direkt elektrik enerjisi üretimi. Ayrıca, biz polaritesi dinamik çıkış gerilimi ve özel pik güç önemlisi elektrik enerjisi dönüşüm belirler dağıtım tarif olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, enerji üretimini artırmak için özel stratejiler sağlayacak ve thermopower dalgaların altında yatan fizik anlamada yardımcı olacaktır. Ayrıca, burada açıklanan üretim süreci ve deneyler thermopower dalgaların araştırma olanakları uzanan yardım, yanı sıra kimyasal-termal-elektrik enerjisi dönüşüm olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
thermopower dalga deneyleri protokolleri ideal ısı dalga yayılımı yanı sıra elektrik enerjisi üretimine olanak kritik adımları içerir. Birincisi, ateşleme özel konumu ve ilgili reaksiyon transferi thermopower dalgalar enerji dönüşümünü kontrol önemli faktörlerdir. Karma bileşiğin bir ucunda Kontak bir yönde çekirdek malzeme ve kimyasal yakıtların arasındaki ara boyunca yanma destekli başlattı. Bununla birlikte, herhangi bir başka pozisyonunda kontak çekirdek malzemeleri içinde ters yönl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma finanse Kore Bilim ve Mühendislik Vakfı aracılığıyla Eğitim, Bilim ve Teknoloji (UÇK-2013R1A1A1010575), Bakanlığı tarafından ve Nano Ar-Ge programı tarafından finanse Kore Ulusal Araştırma Vakfı (UÇK) aracılığıyla Temel Bilimler Araştırma Programı tarafından desteklenen Eğitim, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (UÇK-2012M3A7B4049863) tarafından.
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).
