Preparazione e valutazione dei compositi ibridi di combustibile chimico e multi-walled nanotubi di carbonio nello studio di termoelettrico 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

Quando viene acceso un combustibile chimico in una certa posizione in un composito ibrido del combustibile e un materiale / nanostrutturato micro, combustione chimica avviene lungo l'interfaccia tra i materiali combustibili e core. Contemporaneamente, cambiamenti dinamici potenziali termici e chimici in materiali micro / nanostrutturati comportano la generazione di energia elettrica concomitante indotta da trasferimento di carica nella forma di un impulso di tensione elevata potenza. Dimostriamo l'intera procedura di un esperimento onda termoelettrico, dalla sintesi alla valutazione. Thermal deposizione di vapore chimico e il processo di impregnazione a umido sono rispettivamente impiegati per la sintesi di una matrice nanotubo di carbonio a pareti multiple e un composito ibrido di acido picrico azide / sodio / nanotubi a parete multipla. I compositi ibridi preparati sono utilizzati per fabbricare un generatore di onde termoelettrico con elettrodi di collegamento. La combustione del composito ibrido viene avviato mediante riscaldamento laser o Joule-riscaldamento, e the corrispondente propagazione combustione, generazione di energia elettrica diretta, ed in tempo reale le variazioni di temperatura sono misurati usando un sistema ad alta velocità microscopia, un oscilloscopio, e un pirometro ottico, rispettivamente. Inoltre, le strategie fondamentali da adottare nella sintesi di composito ibrido e l'avvio di loro combustione che migliorano il trasferimento di energia delle onde termoelettrico generale vengono proposti.

Introduction

Combustibili chimici hanno molto alta densità di energia e sono stati ampiamente utilizzati come fonti energetiche utili in una vasta gamma di applicazioni, dai microsistemi ai macrosistemi. ¹ In particolare, molti ricercatori hanno cercato di utilizzare combustibili chimici come fonte di energia per la prossima generazione di micro / nanosistemi tecnologie basate su ^2. Tuttavia, a causa della difficoltà di integrazione di componenti di conversione di energia in spazi estremamente ridotti in micro / nanodispositivi, ci sono limiti fondamentali per la conversione di combustibili chimici in energia elettrica. Pertanto, la combustione di combustibili chimici è stato impiegato principalmente per la produzione di energia chimica o meccanica in micro / nanodispositivi come nanotermiti o microattuatori. ^1,3

Onde-a termoelettrico conversione energetica di nuova concezione concetto-hanno suscitato notevole attenzione come un metodo per convertire l'energia chimica di un combustibile direttamente ene elettricargy senza utilizzare alcun componente di conversione. ^4,5 onde termoelettrico possono essere generati utilizzando un composito ibrido di un combustibile chimico e di un materiale micro / nanostrutturati. ⁵ Quando viene acceso il carburante chimica in una certa posizione in un composito ibrido, combustione chimica avviene lungo l'interfaccia tra il materiale combustibile chimico e micro / nanostrutturati. Contemporaneamente, cambiamenti dinamici potenziali termici e chimici in micro / nanostrutturati risultato nucleo materiale nella generazione di energia elettrica concomitante indotta da trasferimento di carica nella forma di un impulso di tensione elevata potenza. È stato dimostrato che diversi materiali micro / nanostrutturati come nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) ^4-6 e ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ Sb ₂ Te _3, ⁹ e MnO ₂ ¹⁰ materiali micro / nanostrutturati permettono compositi ibridi di utilizzare le onde termoelettrico e mostra chimico-termico-electriconversione di energia cal. In particolare, i materiali di base con un alto coefficiente Seebeck consentono la generazione di tensioni di uscita elevata esclusivamente dalla combustione propagato. Tuttavia, altri parametri relativi ai compositi identici, come la miscela di combustibili chimici, rapporto massa del carburante / nucleo-materiali, il processo di fabbricazione, e le condizioni di accensione influenzano criticamente le proprietà generali delle onde termoelettrico.

Qui, si mostra come i processi di produzione, la formazione di un combustibile chimico allineata, e rapporto di massa di materiali / nucleo carburante influenzano le prestazioni onda termoelettrico. Sulla base di una matrice MWCNT fabbricata da termica deposizione di vapore chimico (TCVD), si mostra come un composito ibrido di un combustibile chimico e MWCNT viene preparato per la generazione di energia delle onde termoelettrico. Esecuzione del setup sperimentale che consente la valutazione della conversione di energia è introdotta insieme alle corrispondenti misure sperimentali per processi come propagati combustioneon e la generazione di energia elettrica diretta. Inoltre, abbiamo dimostrato che la polarità distribuzione descritto dalla tensione di uscita di picco e dinamica specifica determina l'accensione cruciale la conversione di energia elettrica. Questo studio fornirà strategie specifiche per migliorare la produzione di energia, e aiuterà a comprendere la fisica di base delle onde termoelettrico. Inoltre, il processo di fabbricazione e gli esperimenti qui descritti aiuterà ad estendere le opportunità di ricerca sulle onde termoelettrico, nonché sulla conversione dell'energia chimica-termica-elettrica.

Protocol

1. Sintesi di allineata verticalmente a parete multipla nanotubi di carbonio (VAMWCNTs) Preparazione di wafer e deposizione di strati catalitici Preparare un tipo n (100) Si wafer. Deposito 250-nm di spessore SiO 2 strati sul wafer di Si per ossidazione termica o metodi alternativi come sputtering. Iniettare 200 sccm di O 2 per 3 ore 20 min a 1000 ° C in un forno orizzontale. Utilizzare Al bulk 2 O 3 (99,9%) come un multi-polverizzazion…

Representative Results

L'array MWCNT allineati, come materiale di base per le onde nanostrutturato termoelettrico, è stato sintetizzato da TCVD, 11-13 come mostrato in Figura 4A. Il diametro di MWCNT come coltivati ​​è 20-30 nm (Figura 4B). Il composito ibrido allineata delle picrico acido / sodio azide / MWCNT è mostrato in Figura 5A. Questo composto è stato sintetizzato dal processo di impregnazione a umido, 14 come descritto nella sezione del protocollo. P…

Discussion

I protocolli di esperimenti onda termoelettrico coinvolgono passaggi critici che consentono ideale propagazione dell'onda termica e produzione di energia elettrica. Innanzitutto, la posizione specifica di accensione e il corrispondente trasferimento di reazione sono notevoli fattori che determinano la conversione di energia dalle onde termoelettrico. Accensione ad una estremità del composito ibrido lanciato guidato combustione lungo le interfacce tra i materiali di base e combustibili chimici in una direzione. Tutt…

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