Udarbejdelse og evaluering af hybrid kompositter af Chemical Brændstof og Multi-walled carbon nanorør i studiet af 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 et kemikalie brændstof i en bestemt position i en hybrid sammensætning af brændstoffet og et mikro / nanostruktureret materiale antændes, forekommer kemisk forbrænding langs grænsefladen mellem brændstof og kernematerialer. Samtidig dynamiske ændringer i termiske og kemiske potentialer på tværs af mikro / nanostrukturerede materialer medfører samtidig energiproduktion elektrisk induceret af ladningsoverførsel i form af en høj udgangsspænding puls. Vi viser hele proceduren af en thermopower bølge eksperiment fra syntese til evaluering. Termisk kemisk dampaflejring og den våde imprægneringsprocessen henholdsvis anvendes til syntese af en multi-walled carbon nanorør array og en hybrid kombination af picrinsyre / natriumazid / multi-walled carbon nanotubes. De fremstillede hybride kompositter anvendes til at fremstille en thermopower bølgegenerator med forbinder elektroderne. Forbrændingen af den hybride komposit initieres af laser opvarmning eller Joule-opvarmning, og the tilsvarende forbrænding formering, direkte generation elektrisk energi, og real-time temperaturændringer måles ved hjælp af en high-speed mikroskopi-system, et oscilloskop og en optisk pyrometer hhv. Desuden vil de afgørende strategier skal vedtages i syntesen af hybrid komposit og indledningen af deres forbrænding, der forbedrer den overordnede thermopower bølgeenergi overførsel foreslås.
Introduction
Kemiske brændstoffer har meget høj energitæthed og er ofte blevet brugt som nyttige energikilder i en bred vifte af applikationer fra mikrosystemer til makrosystemer. 1 har især mange forskere forsøgt at bruge kemiske brændstoffer som energikilde til næste generation mikro- / nanosystemer baserede teknologier. 2 På grund af vanskeligheden ved energiomregningsfaktorer komponenter integrere i ekstremt små rum i mikro- / nanodevices, der er fundamentale begrænsninger for omdannelse af kemisk brændstof til elektrisk energi. Derfor har forbrænding af kemiske brændstoffer primært været ansat til fremstilling af kemiske eller mekanisk energi i mikro- / nanodevices såsom nanothermites eller mikroaktuatorer. 1,3
Thermopower bølger-et nyudviklet energi konvertering koncept-har stor opmærksomhed som en metode til at omdanne den kemiske energi af et brændstof direkte til elektrisk ENERGY uden brug konverterende komponenter. 4,5 Thermopower bølger kan genereres ved anvendelse af en hybrid sammensat af et kemisk brændstof og et mikro / nanostruktureret materiale. 5 Når kemiske brændstof i en bestemt position i en hybrid komposit antændes, forekommer kemisk forbrænding sammen grænsefladen mellem kemisk brændstof og mikro / nanostrukturerede materialer. Samtidig dynamiske ændringer i termiske og kemiske potentialer på tværs af core mikro / nanostruktureret materiale resulterer i samtidig energiproduktion elektrisk induceret af ladningsoverførsel i form af en høj udgangsspænding puls. Det er blevet bevist, at forskellige mikro / nanostrukturerede materialer såsom flervæggede kulstofnanorør (MWCNTs) 4-6 og ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 og MNO 2 10 mikro / nanostrukturerede materialer tillader hybrid kompositter at udnytte thermopower bølger og vis kemisk-termisk-elektrical konvertering energi. Specifikt kernematerialer med høj Seebeck koefficient muliggøre genereringen af høje udgangsspændinger udelukkende fra opformeret forbrænding. Men andre parametre vedrørende identiske kompositter, såsom blanding af kemiske brændstoffer, masseforholdet mellem brændstof / kerne-materialer, fremstillingsprocessen, og betingelserne tænding kritisk påvirke de overordnede egenskaber thermopower bølger.
Heri viser vi, hvordan de fremstillingsprocesser, dannelse af en ensartet kemisk brændstof, og masseforholdet mellem brændstof / kernematerialer påvirker thermopower bølge ydeevne. På grundlag af en MWCNT matrix fremstillet ved termisk kemisk dampaflejring (TCVD), viser vi, hvordan en hybrid sammensat af et kemisk brændstof og MWCNTs er forberedt til thermopower bølgeenergi generation. Design af forsøgsopstillingen, der muliggør vurdering af energiomsætningen introduceres sammen med tilsvarende eksperimentelle målinger for processer som forbrændingsprocesser propagatipå og direkte generation elektrisk energi. Endvidere viser vi, at polaritet fordeling beskrevne med den dynamiske udgangsspænding og specifik spidseffekt-afgørende bestemmer den elektriske energi konvertering. Denne undersøgelse vil give specifikke strategier til at forbedre energiproduktion, og vil hjælpe med at forstå de underliggende fysik af thermopower bølger. Desuden vil fremstillingsprocessen og eksperimenter beskrevet her hjælpe udvide forskningsmuligheder på thermopower bølger, samt kemisk-termisk-elektrisk energi konvertering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollerne af thermopower bølge eksperimenter involverer vigtige skridt, der giver ideelle termisk bølgeudbredelse samt elektrisk energiproduktion. Først den særlige situation for tænding, og den tilsvarende reaktion overførsel er betydelige faktorer i at styre energi konvertering fra thermopower bølger. Tænding i den ene ende af den hybride sammensatte lanceret styret forbrænding langs grænsefladerne mellem de centrale materialer og kemiske brændstoffer i én retning. Men tænding på andre position gener…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Basic Science Research Program gennem National Research Foundation Korea (NRF), der finansieres af Ministeriet for Undervisning, Videnskab og Teknologi (NRF-2013R1A1A1010575) og ved Nano F & U-program gennem Korea Science and Engineering Foundation finansierede af Ministeriet for Undervisning, Videnskab og Teknologi (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).
