Upprättande och utvärdering av Hybrid Composites i Chemical Bränsle och Flerväggiga kolnanorör i studien av Thermopower Vågor
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
När en kemisk bränsle vid en viss position i en hybrid komposit av bränslet och en mikro / nanostrukturerade material antänds, sker kemiska förbränning längs gränsytan mellan materialen bränsle och kärn. Samtidigt dynamiska förändringar i termiska och kemiska potentialer över mikro / nanostrukturerade material resulterar i samtidig elektrisk energiproduktion inducerad av laddningsöverföring i form av en hög utspänning puls. Vi visar hela proceduren en thermopower våg experiment från syntes till utvärdering. Termisk kemisk ångavsättning och den våta impregneringsprocessen är respektive användes för syntesen av en flerväggig Nanorör array och en hybrid komposit av pikrinsyra / natriumazid / flerväggiga kolnanorör. De preparerade hybrid kompositer används för att tillverka en thermopower våg generator med anslut elektroder. Förbränningen av hybridkomposit initieras av laseruppvärmning eller Joule-värme, och the motsvarande förbrännings förökning, direkt elektrisk energi generation, och realtidstemperaturförändringar mäts med hjälp av en höghastighets mikroskopi systemet, ett oscilloskop och en optisk pyrometer, respektive. Vidare att de avgörande strategier antas i syntesen av hybridkomposit och initiering av deras förbränning som ökar den totala överförings thermopower vågkraft föreslås.
Introduction
Kemiska bränslen har mycket hög energitäthet och har ofta använts som användbara energikällor i ett brett spektrum av applikationer från mikro att makrosystem. 1 I synnerhet har många forskare försökt använda kemiska bränslen som energikälla för nästa generations mikro / nanosystem -baserade teknologier. 2 På grund av svårigheten att integrera energiomvandlingskomponenter i extremt små utrymmen i mikro / nanokomponenter, det finns grundläggande begränsningar för omvandling av kemiska bränslen till elektrisk energi. Därför har förbränning av kemiska bränslen främst använts för produktion av kemisk eller mekanisk energi i mikro / nanokomponenter såsom nanothermites eller mikromanövreringsdon. 1,3
Thermopower vågor-en nyutvecklad energiomvandling koncept har rönt stor uppmärksamhet som en metod för att omvandla den kemiska energin i ett bränsle direkt till elektrisk eneRGY utan att använda några konverterings komponenter. 4,5 Thermopower vågor kan genereras med en hybrid komposit av en kemikalie bränsle och en mikro / nanostrukturerade material. 5 När den kemiska bränslet vid en viss position i en hybrid komposit antänds, sker kemiska förbränning tillsammans gränssnittet mellan den kemiska bränslet och mikro / nanostrukturerade material. Samtidigt dynamiska förändringar i termiska och kemiska potentialer över kärn mikro / nanostrukturerade material resultatet i samtidig elektrisk energiproduktion inducerad av laddningsöverföring i form av en hög utspänning puls. Det har bevisats att olika mikro / nanostrukturerade material såsom flerväggiga kolnanorör (MWCNTs) 4-6 och ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 och MnO 2 10 mikro / nanostrukturerade material tillåter hybrid kompositer att utnyttja thermopower vågor och uppvisar kemisk-termisk-electrical energiomvandling. Specifikt kärnmaterial med hög Seebeck koefficient möjliggör generering av höga utspänningar enbart från fortplantas förbränning. Men andra parametrar som rör identiska kompositer, såsom blandning av kemiska bränslen, massförhållandet bränsle / core-material, tillverkningsprocessen, och tänd villkor kritiskt påverkar de övergripande egenskaper thermopower vågor.
Häri visar vi hur tillverkningsprocesserna, bildandet av en linje kemiska bränsle, och massförhållandet / kärnmaterial bränsle påverkar thermopower våg prestanda. På grundval av en MWCNT array tillverkas genom termisk kemisk ångdeponering (TCVD), visar vi hur en hybrid komposit av en kemiskt bränsle och MWCNTs är förberedd för thermopower våg energiproduktion. Design av experimentuppställning som möjliggör utvärdering av energiomvandling införs tillsammans med motsvarande experimentella mätningar för processer såsom förbrännings propagatipå och direkt elektrisk energiproduktion. Dessutom visar vi att polariteten fördelning beskrivna av den dynamiska utspänning och specifik topp bestämmer ström avgörande elektrisk energiomvandling. Denna studie kommer att ge konkreta strategier för att öka energiproduktionen, och kommer att bidra till att förstå de bakomliggande fysiken av thermopower vågor. Dessutom kommer tillverkningsprocessen och experiment som beskrivs här hjälpa till att utvidga forskningsmöjligheter på thermopower vågor, samt på kemisk-termisk-elektrisk energiomvandling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen från thermopower wave experiment involverar kritiska steg som möjliggör perfekt termisk vågutbredning samt elektrisk energiproduktion. Först den specifika positionen för antändning och motsvarande reaktion överföringen är betydande faktorer i att styra energiomvandling från thermopower vågor. Antändning vid en ände av hybridkomposit lanserade styrd förbränning utmed gränssnitten mellan kärnmaterialen och kemiska drivmedel i en riktning. Men tändning på någon annan position genererade dub…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Basic Science Research Program genom National Research Foundation of Korea (NRF), som finansieras av ministeriet för utbildning, vetenskap och teknik (NRF-2013R1A1A1010575), och av Nano FoU-program via Korea Science and Engineering Foundation finansierat av ministeriet för utbildning, vetenskap och teknik (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).
