Forberedelse og evaluering av Hybrid Composites av Chemical Fuel og Multi-vegger karbonnanorør i Study of Thermopower 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

Når en kjemisk brennstoff i en viss posisjon i en hybrid kompositt av brennstoffet og en mikro / nanostrukturerte materiale antennes, oppstår kjemisk forbrenning langs grenseflaten mellom brensel- og kjernematerialer. Samtidig dynamiske endringer i termiske og kjemiske potensialer på tvers av mikro / nanostrukturerte materialer resulterer i samtidig elektrisk energi generasjon indusert ved overføring kostnad i form av en høy utgangsspenning puls. Vi viser hele prosedyren av en thermopower bølge eksperiment, fra syntese til evaluering. Termisk kjemisk dampavsetning, og den våte impregneringsprosessen er henholdsvis anvendes for syntese av en fler vegger karbon nanorør matrise og en hybrid kompositt av pikrinsyre / natriumazid / fler vegger karbon nanorør. De fremstilte hybrid-kompositter blir brukt til å fremstille en thermopower bølgegenerator med koblingselektroder. Forbrenningen av det hybride kompositt initieres ved laser oppvarming eller Joule-oppvarming, og the tilsvarende forbrennings forplantning, direkte elektrisk energi generasjon, og real-time temperaturendringer måles ved hjelp av en høyhastighetsmikros system, et oscilloskop, og en optisk pyrometer, henholdsvis. Videre er det avgjørende strategier for å bli tatt i bruk i syntesen av hybrid kompositt og initiering av deres forbrenning som forbedrer den totale thermopower bølgeenergioverføringen er foreslått.

Introduction

Kjemiske brensel har svært høy energitetthet og har blitt mye brukt som nyttige energikilder i et bredt spekter av applikasjoner fra mikrosystemer til macrosystems. ^1. Spesielt har mange forskere forsøkt å bruke kjemiske brensel som energikilde for neste generasjons mikro / nanosystemer -baserte teknologier. ^2. Imidlertid, på grunn av vanskeligheten med å integrere energiomforming komponenter i svært små mellomrom i mikro / nanodevices, er det fundamentale begrensninger for konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi. Derfor har forbrenning av kjemiske brennstoffer hovedsakelig blitt anvendt for fremstilling av kjemisk eller mekanisk energi i mikro / nanodevices som nanothermites eller microactuators. ^1,3

Thermopower bølger-en nyutviklet energikonvertering konsept har tiltrukket seg stor oppmerksomhet som en metode for å omdanne den kjemiske energien i et brensel direkte til elektrisk eneRGY uten bruk av konverterings komponenter. ^4,5 Thermopower bølger kan genereres ved hjelp av en hybrid kompositt av en kjemisk brennstoff og en mikro / nanostrukturerte materiale. ⁵ Når det kjemiske drivstoffet ved en bestemt posisjon i en hybrid kompositt antennes, oppstår kjemisk forbrenning langs grensesnittet mellom kjemisk brennstoff og mikro / nanostrukturerte materiale. Samtidig dynamiske endringer i termiske og kjemiske potensialer over kjernen mikro / nanostrukturerte materialer resultat i samtidig elektrisk energi generasjon indusert ved overføring kostnad i form av en høy utgangsspenning puls. Det har vist seg at forskjellige mikro / nanostrukturerte materialer, slik som fler vegger karbon nanorør (MWCNTs) ^4-6 og ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ ₂ Sb Te _3, ⁹ og MnO ₂ ¹⁰ mikro / nanostrukturerte materialer tillater hybrid kompositter å utnytte thermopower bølger og vise kjemisk-termisk-electrical energi konvertering. Nærmere bestemt, kjernematerialer med en høy Seebeck-koeffisient muliggjøre generering av høyt utgangsspenninger utelukkende fra formeres forbrenning. Imidlertid kan andre parametere knyttet til identiske sammensetninger, slik som blandingen av kjemiske brennstoffer, masseforholdet mellom brensel / kjerne-materialer, fremstillingsprosessen, og antennelsesbetingelser kritisk påvirker de samlede egenskaper av thermopower bølger.

Her, viser vi hvordan produksjonsprosesser, dannelse av en justert kjemisk drivstoff, og masseforhold av drivstoff / kjernematerialer påvirke thermopower bølge ytelse. På basis av en MWCNT matrise fremstilt ved termisk kjemisk dampavsetning (TCVD), viser vi hvordan en hybrid kompositt av en kjemisk brennstoff og MWCNTs er forberedt for thermopower bølgeenergigenererings. Utformingen av det eksperimentelle oppsettet som muliggjør vurdering av energiomforming er innført sammen med tilsvarende eksperimentelle målinger for prosesser som for eksempel forbrennings propagatipå og direkte elektrisk energi generasjon. Videre viser vi at polariteten fordeling beskrevne ved den dynamiske utgangsspenning og spesifikk spisseffekt-avgjørende bestemmer den elektriske energiomforming. Denne studien vil gi konkrete strategier for å forbedre energiproduksjon, og vil hjelpe i å forstå de underliggende fysikken i thermopower bølger. Videre vil produksjonsprosessen og eksperimenter beskrevet her hjelpe i å utvide forskningsmuligheter på thermopower bølger, så vel som på kjemisk-termisk-elektrisk energi konvertering.

Protocol

1. Syntese av vertikalt flerveggs karbonnanorør (VAMWCNTs) Fremstilling av skiven og avsetning av katalysatorlagene Forberede en n-type (100) Si wafer. Avsette et 250 nm tykt SiO2-lag på Si wafer ved termisk oksydasjon eller alternative metoder som sputtering. Injisere 200 sccm av O 2 i 3 timer 20 minutter ved 1000 ° C i en horisontal ovn. Bruke bulk Al 2O 3 (99,9%) som et fler frese (RF-effekt: 1000 W) kilde og avsette et 10 nm tykt Al 2O …

Representative Results

Den innrettet MWCNT matrise, som et kjernemateriale for nanostrukturerte thermopower bølger, ble syntetisert ved TCVD, 11 til 13 som vist i figur 4A. Diameteren så dyrket MWCNTs er 20-30 nm (figur 4B). Den innrettet hybrid kompositt av pikrinsyre / natriumazid / MWCNTs er vist i figur 5A. Denne kompositt ble syntetisert ved våtimpregnering prosessen, 14 slik som beskrevet i protokollen delen. For å danne et grensesnitt mellom kjemisk drivstoff …

Discussion

Protokoller av thermopower bølge eksperimenter bære kritiske trinn som muliggjør ideell varmebølgeutbredelse samt elektrisk energi generasjon. Først den spesifikke posisjon for tenning og den tilsvarende reaksjons overføring er betydelige faktorer for å kontrollere energiomforming fra thermopower bølger. Tenning ved en ende av den hybride kompositt lansert styrt forbrenning langs grenseflatene mellom kjernematerialer og kjemiske brennstoffer i en retning. Men tenning på noen annen stilling generert toveis therm…

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