Подготовка и оценка гибридный композитов химического топлива и многослойных углеродных нанотрубок в исследовании термоэдс волн
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
При химическом топливе в определенном положении в гибридном композитный топлива и микро / наноструктурного материала воспламеняется, химической сгорания происходит вдоль поверхности раздела между топливом и основных материалов. Одновременно, динамические изменения в термических и химических потенциалов поперек микро / наноструктурных материалов в результате сопутствующих поколения электрической энергии, вызванной переносом заряда в виде импульса напряжения высокой выходной. Мы демонстрируем вся процедура эксперимента термоэдс волны, от синтеза к оценке. Тепловая химическое осаждение из паровой фазы и процесс мокрой пропитки, соответственно, используют для синтеза многослойных массива углеродных нанотрубок и гибридного композитного пикриновой азида кислоты / натрия / многостенных углеродных нанотрубок. Подготовленные гибридные композиты используются для изготовления генератор термоЭДС волны с соединительными электродами. Сжигание гибридного композитного инициируется лазерного нагрева или нагрева Джоуля-го ираспространения электронной соответствующие сгорания, прямой поколения электрической энергии, и в режиме реального времени изменения температуры измеряют с помощью микроскопии системы высокоскоростной, осциллограф и оптический пирометр, соответственно. Кроме того, важными стратегии, которая будет принята в синтезе гибридного композита и начала их сгорания, которые повышают общую передачу термоэдс энергии волн предложены.
Introduction
Химические топлива имеют очень высокую плотность энергии и широко используются в качестве полезных источников энергии в широком диапазоне применений: от микросистем, чтобы макросистем. 1 В частности, многие исследователи пытались использовать химические виды топлива в качестве источника энергии для следующего поколения микро / наносистем -based технологии. 2 Тем не менее, из-за трудностей в интеграции компонентов преобразования энергии в крайне малых пространств в микро / наноустройств, существуют фундаментальные ограничения на преобразования химического топлива в электрическую энергию. Следовательно, горение химических топлив в основном были использованы для производства химического или механической энергии в микро / наноустройств, таких как nanothermites или microactuators. 1,3
Термоэдс волны-недавно разработанный преобразования энергии концепт-привлекли значительное внимание как метод для преобразования химической энергии топлива непосредственно в электрическую енаRGY без использования каких-либо конвертирования компонентов. 4,5 термоэдс волны могут быть получены с использованием гибридного композитного химического топлива и микро / наноструктурного материала. 5 При химическом топливе в определенном положении в гибридном композитный воспламеняется, химической сгорания происходит вдоль Интерфейс между химического топлива и микро / наноструктурного материала. Одновременно, динамические изменения в термических и химических потенциалов по всей основной микро / наноструктурированного материала результате в сопутствующей поколения электрической энергии, вызванной переносом заряда в виде импульса напряжения высокой выходной. Было доказано, что различные микро / наноструктурированные материалы, такие как многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) 4-6 и ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 и МпО 2 10 микро / наноструктурные материалы позволяют гибридные композиты использовать термоэдс волны и показать Химико-термическая-Electriкал преобразования энергии. В частности, основные материалы с высоким коэффициентом Зеебека включить генерацию высокого выходного напряжения исключительно из распространяется сгорания. Тем не менее, другие параметры, относящиеся к одинаковым композитов, таких как смеси химических видов топлива, массовом соотношении топливо / ядро-материалов, производственного процесса, а также условий воспламенения критически влияет на общие свойства термоэдс волн.
Здесь мы покажем, как производственные процессы, формирование унифицированной химического топлива, а массовое соотношение топлива / основных материалов влияет на производительность термоэдс волны. На основе МУНТ массива, изготовленного путем осаждения из газовой фазы термическим (TCVD), показано, как гибридный композитный химического топлива и MWCNTs подготовлен для выработки энергии термоЭДС волны. Конструкция экспериментальной установки, что дает оценку преобразования энергии вводится вместе с соответствующими экспериментальных измерений для процессов, таких как propagati сгоранияна и прямой поколение электрической энергии. Более того, мы показали, что полярность распределения описанного динамическим выходного напряжения и конкретных пиковой мощности, в решающей степени определяет электрическую преобразование энергии. Это исследование даст конкретные стратегии для повышения производства энергии, а также поможет в понимании глубинных физических термосиловых волн. Кроме того, производственный процесс и эксперименты описаны здесь, поможет в расширении возможности для проведения исследований термоэдс волн, а также на химико-термической электрическое преобразование энергии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протоколы термосиловых волновых экспериментов привлекать важных шагов, которые позволяют идеально распространения тепловой волны, а также производство электрической энергии. Во-первых, удельная положение зажигания и соответствующий перевод реакционную значительные факторы в упра?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана исследовательской программы фундаментальных наук в рамках Национальной научно-исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемого Министерством образования, науки и технологий (NRF-2013R1A1A1010575), и Nano R & D программы через Корейский научно-технической фонда, финансируемого Министерство образования, науки и технологий (NRF-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).
