إعداد وتقييم المركبات الهجينة من الوقود الكيميائية ومتعدد الجدران الكربون الأنابيب النانومترية في دراسة موجات 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
عندما أشعل وقود الكيميائية في موقف معين في مركب هجين من الوقود والمواد / ذات البنية النانومترية الدقيقة، يحدث الاحتراق الكيميائية على طول واجهة بين الوقود ومواد الأساسية. في وقت واحد، والتغيرات الديناميكية في إمكانات الحرارية والكيميائية عبر المواد متناهية الصغر / ذات البنية النانومترية تؤدي إلى توليد الطاقة الكهربائية يصاحب ذلك الناجم عن نقل المسؤول في شكل الجهد نبض عالية الانتاج. ونحن لشرح الإجراء بأكمله من تجربة موجة thermopower، من تخليق للتقييم. ويعمل ترسيب الأبخرة الكيميائية الحرارية وعملية التشريب الرطب على التوالي لتركيب متعددة الجدران مجموعة أنابيب الكربون ومركب هجين من البكريك أزيد حمض / الصوديوم / الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران. وتستخدم المركبة الهجينة مستعدة لافتعال مولد موجة thermopower مع أقطاب الاتصال. يبدأ احتراق المركب الهجين عن طريق التسخين ليزر أو الجول التدفئة، وعشريتم قياس ه الموافق الاحتراق نشر، وتوليد الطاقة الكهربائية مباشرة، في الوقت الحقيقي والتغيرات في درجات الحرارة باستخدام نظام عالية السرعة المجهري، الذبذبات، والبيرومتر البصرية، على التوالي. وعلاوة على ذلك، فإن الاستراتيجيات الحاسمة التي يمكن اعتمادها في تركيب المركب الهجين والشروع في احتراقها التي تعزز نقل الكلي للطاقة موجة thermopower المقترحة.
Introduction
الوقود الكيميائي لديها كثافة الطاقة العالية جدا واستخدمت على نطاق واسع كمصدر طاقة مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات من مايكروسيستمز لmacrosystems. 1 وعلى وجه الخصوص، سعت العديد من الباحثين لاستخدام الوقود الكيميائية كمصدر الطاقة للجيل القادم الدقيقة / النانو التقنيات المستندة إلى 2 ومع ذلك، ونظرا لصعوبة في دمج مكونات تحويل الطاقة في مساحات صغيرة للغاية في الدقيقة / الأجهزة النانوية، وهناك قيود أساسية لتحويل الوقود الكيميائية إلى طاقة كهربائية. ولذلك، فقد استخدمت أساسا من احتراق الوقود الكيميائية لإنتاج الطاقة الكيميائية أو الميكانيكية في الدقيقة / الأجهزة النانوية مثل nanothermites أو المشغلات. 1،3
ومفهوم جذب موجات من Thermopower تحويل الطاقة ضعت حديثا اهتماما كبيرا كأسلوب لتحويل الطاقة الكيميائية من الوقود مباشرة إلى الشم الكهربائيةيمكن أن تتولد RGY دون استخدام أي مكونات تحويل. 4،5 موجات Thermopower باستخدام مركب هجين من الوقود الكيميائية والمواد المتناهية الصغر / ذات البنية النانومترية. 5 عند أشعلت الوقود الكيميائية في موقف معين في مركب هجين، يحدث الاحتراق الكيميائية على طول واجهة بين الوقود الكيميائية والمواد المتناهية الصغر / ذات البنية النانومترية. في وقت واحد، والتغيرات الديناميكية في إمكانات الحرارية والكيميائية في جميع أنحاء الأساسية الصغرى / ذات البنية النانومترية نتيجة المادة في توليد الطاقة الكهربائية يصاحب ذلك الناجم عن نقل المسؤول في شكل الجهد نبض عالية الانتاج. وقد ثبت أن المواد المتنوعة الصغرى / ذات البنية النانومترية مثل الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) 4-6 وأكسيد الزنك، 7 بي 2 تي 3، 8 بينالي الشارقة 2 تي 3 و 9 و MNO 2 10 المواد متناهية الصغر / ذات البنية النانومترية تسمح المركبة الهجينة للاستفادة من موجات thermopower وإظهار الكيميائية الحرارية الكهربيتحويل الطاقة كال. على وجه التحديد، والمواد الأساسية مع طاقة كهروحرارية عالية تمكن جيل من الفولتية عالية الانتاج فقط من الاحتراق نشر. ومع ذلك، المعلمات الأخرى المتعلقة المركبة متطابقة، مثل خليط من الوقود الكيميائية، ونسبة كتلة الوقود / مواد الأساسية، وعملية التصنيع، وظروف الاشتعال تؤثر بشكل حاسم خصائص العامة للموجات thermopower.
هنا، وتبين لنا كيف أن عمليات التصنيع، وتشكيل وقود الكيميائية الانحياز، ونسبة الكتلة للمواد / الأساسية الوقود تؤثر على الأداء موجة thermopower. على أساس مجموعة MWCNT ملفقة من قبل الحراري ترسيب الأبخرة الكيميائية (TCVD)، وتبين لنا كيف يتم إعداد مركب هجين من الوقود الكيميائية وMWCNTs لتوليد الطاقة موجة thermopower. هو عرض تصميم الإعداد التجريبية التي تمكن من تقييم تحويل الطاقة جنبا إلى جنب مع القياسات التجريبية المقابلة لعمليات مثل propagati الاحتراقعلى وتوليد الطاقة الكهربائية المباشرة. وعلاوة على ذلك، علينا أن نبرهن على قطبية التوزيع وصفها من قبل الجهد الناتج دينامية وذروة معينة يحدد السلطة كما نجح في تحويل الطاقة الكهربائية. وهذه الدراسة توفر استراتيجيات محددة لتعزيز توليد الطاقة، وسوف تساعد في فهم الفيزياء الكامنة وراء موجات thermopower. وعلاوة على ذلك، فإن عملية التصنيع والتجارب وصفها هنا تساعد في توسيع فرص البحث على موجات thermopower، فضلا عن تحويل الطاقة الكيميائية الحرارية الكهربائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
بروتوكولات thermopower التجارب موجة تشمل الخطوات الحاسمة التي تمكن المثالي انتشار الموجات الحرارية فضلا عن توليد الطاقة الكهربائية. أولا، موقف محدد من الاشتعال ونقل رد فعل مماثل عوامل كبيرة في السيطرة على تحويل الطاقة من موجات thermopower. اشتعال في واحدة من نهاية مركب هجين أ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل برنامج أبحاث العلوم الأساسية من خلال المؤسسة الوطنية للبحوث كوريا (جبهة الخلاص الوطني)، بتمويل من وزارة التربية والتعليم والعلوم والتكنولوجيا (جبهة الخلاص الوطني-2013R1A1A1010575)، وبرنامج نانو R & D من خلال العلوم كوريا ومؤسسة هندسة ممولة من قبل وزارة التربية والتعليم والعلوم والتكنولوجيا (جبهة الخلاص الوطني-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).
