Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Otrzymywanie i ocena hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i wielościennych nanorurek węglowych w badaniach fal termoenergetycznych

8.2K wyświetleń

DOI:

10.3791/52818

10 kwietnia 2015

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół przeprowadzania eksperymentów z falami termoenergetycznymi. Opisano syntezę hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i materiału mikro/nanostrukturalnego, wytwarzanie generatora fal termoenergetycznych oraz metody pomiaru odpowiadających im zjawisk fizycznych.

Streszczenie

Gdy zapala się paliwo chemiczne w pewnej pozycji w hybrydowym połączeniu paliwa i materiału mikro/nanostrukturalnego, spalanie chemiczne następuje wzdłuż granicy faz między paliwem a materiałami rdzeniowymi. Jednocześnie dynamiczne zmiany potencjałów termicznych i chemicznych w materiałach mikro/nanostrukturalnych skutkują jednoczesnym wytwarzaniem energii elektrycznej indukowanej przenoszeniem ładunku w postaci impulsu napięcia wyjściowego. Demonstrujemy całą procedurę eksperymentu z falą termoenergetyczną, od syntezy po ocenę. Termiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej i proces impregnacji na mokro są stosowane odpowiednio do syntezy wielościennego układu nanorurek węglowych i hybrydowego kompozytu kwasu pikrynowego / azydku sodu / wielościennych nanorurek węglowych. Przygotowane kompozyty hybrydowe służą do wytworzenia generatora fal termoenergetycznych wraz z elektrodami łączącymi. Spalanie kompozytu hybrydowego jest inicjowane przez ogrzewanie laserowe lub ogrzewanie dżulowe, a odpowiednia propagacja spalania, bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej i zmiany temperatury w czasie rzeczywistym są mierzone odpowiednio za pomocą szybkiego systemu mikroskopowego, oscyloskopu i pirometru optycznego. Ponadto zaproponowano kluczowe strategie, które należy przyjąć w syntezie kompozytów hybrydowych i inicjacji ich spalania, które zwiększają ogólny transfer energii fal termoenergetycznych.

Wprowadzenie

Paliwa chemiczne mają bardzo wysoką gęstość energii i są szeroko stosowane jako użyteczne źródła energii w szerokim zakresie zastosowań, od mikrosystemów do makrosystemów. 1 W szczególności wielu badaczy starało się wykorzystać paliwa chemiczne jako źródło energii dla technologii opartych na mikro/nanosystemach nowej generacji. 2 Jednak ze względu na trudności w integracji komponentów konwersji energii w bardzo małych przestrzeniach w mikro/nanourządzeniach, istnieją zasadnicze ograniczenia w przekształcaniu paliw chemicznych w energię elektryczną. W związku z tym spalanie paliw chemicznych jest wykorzystywane głównie do wytwarzania energii chemicznej lub mechanicznej w mikro/nanourządzeniach, takich jak nothermity lub mikrosiłowniki. 1,3

Fale termomocy - nowo opracowana koncepcja konwersji energii - przyciągnęły znaczną uwagę jako metoda bezpośredniego przekształcania energii chemicznej paliwa w energię elektryczną bez użycia jakichkolwiek komponentów konwertujących. 4,5 Fale termoenergetyczne mogą być generowane przy użyciu hybrydowego kompozytu paliwa chemicznego i materiału mikro/nanostrukturalnego. 5 Gdy paliwo chemiczne w określonym położeniu w kompozycie hybrydowym ulega zapłonowi, spalanie chemiczne następuje wzdłuż granicy faz między paliwem chemicznym a materiałem mikro/nanostrukturalnym. Jednocześnie dynamiczne zmiany potencjałów termicznych i chemicznych w mikro/nanostrukturalnym materiale rdzenia powodują jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej indukowanej przenoszeniem ładunku w postaci impulsu napięcia wyjściowego. Udowodniono, że różnorodne materiały mikro/nanostrukturalne, takie jak wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT)4-6 i ZnO,7, Bi2, Te3,8, Sb2, Te3,9 i MnO2, 10 mikro/nanostrukturalne materiały, pozwalają kompozytom hybrydowym wykorzystywać fale termoelektryczne i wykazywać konwersję energii chemiczno-cieplno-elektrycznej. W szczególności materiały rdzeniowe o wysokim współczynniku Seebecka umożliwiają wytwarzanie wysokich napięć wyjściowych wyłącznie z rozchodzącego się spalania. Jednak inne parametry odnoszące się do identycznych kompozytów, takie jak mieszanina paliw chemicznych, stosunek masy paliwa do materiałów rdzenia, proces produkcyjny i warunki zapłonu, mają krytyczny wpływ na ogólne właściwości fal termoenergetycznych.

Tutaj pokazujemy, jak procesy produkcyjne, tworzenie dopasowanego paliwa chemicznego i stosunek masy paliwa do materiałów rdzeniowych wpływają na wydajność fal termoenergetycznych. Na podstawie matrycy MWCNT wytwarzanej metodą termicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (TCVD) pokazujemy, w jaki sposób przygotowuje się hybrydowy kompozyt paliwa chemicznego i MWCNT do wytwarzania energii fal termoelektrycznych. Przedstawiono projekt układu doświadczalnego, który umożliwia ocenę konwersji energii wraz z odpowiednimi pomiarami eksperymentalnymi dla procesów takich jak propagacja spalania i bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej. Co więcej, wykazaliśmy, że rozkład polaryzacji - opisany przez dynamiczne napięcie wyjściowe i właściwą moc szczytową - ma kluczowe znaczenie dla konwersji energii elektrycznej. Badania te dostarczą konkretnych strategii mających na celu zwiększenie wytwarzania energii i pomogą w zrozumieniu fizyki leżącej u podstaw fal termoenergetycznych. Ponadto opisany tu proces produkcyjny i eksperymenty pomogą w rozszerzeniu możliwości badawczych nad falami termoenergetycznymi, a także nad konwersją energii chemiczno-cieplno-elektrycznej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza pionowo uporządkowanych wielościennych nanorurek węglowych (VAMWCNTs)

  1. Przygotowanie wafla i osadzanie warstw katalizatora
    1. Przygotuj wafel Si typu n (100).
    2. Osadź warstwę SiO2 o grubości 250 nm na waflu Si poprzez utlenianie termiczne lub alternatywne metody, takie jak rozpylanie. Wprowadzaj 200 sccm O2 przez 3 h 20 min w temperaturze 1 000 °C w piecu poziomym.
    3. Wykorzystaj Al2O3 w formie litej (99,9%) jako źródło do wielokrotnego rozpylania (moc RF: 1 000 W) i osadź warstwę Al2O3 (99,9%) o grubości 10 nm na warstwie SiO2. Zastosuj niską szybkość osadzania 10 nm/min przy ciśnieniu osadzania 2 × 10-2 mbar.
    4. Wykorzystaj Fe w formie litej (99,9%) jako źródło w parowniku wiązki elektronowej i osadź warstwę Fe o grubości 1 nm na warstwie Al2O3. Zastosuj niską szybkość osadzania ~0,1 nm/s przy ciśnieniu osadzania 5 × 10-6 Torr.
    5. Dotnij wafel Fe/Al2O3/SiO2/Si do rozmiaru 28 mm × 15 mm za pomocą diamentowego rylca.
      Uwaga: W zależności od pożądanego rozmiaru macierzy VAMWCNT można zmieniać rozmiar wafla Fe/Al2O3/SiO2/Si.
  2. Synteza macierzy MWCNT metodą TCVD i przygotowanie wolnostojących lasów MWCNT.
    1. Umieść wafel Fe/Al2O3/SiO2/Si centralnie w łódzce kwarcowej o wymiarach 120 mm × 30 mm.
    2. Włóż łódzkę kwarcową do 2-calowej rurki kwarcowej w układzie TCVD (Rysunek 1A).
    3. Wprowadź 900 sccm gazu Ar przez 10 min w warunkach otoczenia, aby usunąć powietrze i wypełnić 2-calową rurkę kwarcową argonem.
    4. Wprowadź 600 sccm gazu Ar i 400 sccm gazu H2, zwiększając temperaturę w piecu od 25 °C do 750 °C w ciągu 30 min.
    5. Wprowadź 100 sccm gazu Ar i 400 sccm gazu H2 w temperaturze 750 °C przez 10 min, aby sformować nanocząstki Fe jako zarodki MWCNT.
    6. Wprowadź 100 sccm gazu Ar, 368 sccm gazu H2 oraz 147 sccm gazu etylenu (C2H4) w temperaturze 750 °C przez 280 min. Jednocześnie zastosuj ogrzewanie dżulowskie na wlocie do rurki kwarcowej za pomocą włókna wolframowego (napięcie: 0,8 V, prąd: 15 A), aby wspomóc rozkład gazu C2H4 pełniącym rolę źródła węgla. Źródła węgla te przyłączają się do nanocząstek Fe na waflach Si i przekształcają w CNT.
    7. Zatrzymaj dopływ gazu H2 i gazu C2H4 oraz wyłącz piec. Podczas tej procedury nieprzerwanie wprowadzaj 100 sccm gazu Ar, aż temperatura wafla spadnie poniżej 60 °C.
    8. Wyjmij MWCNT z wafla. Delikatnie oddziel macierz MWCNT od wafla, aby uzyskać wolnostojące lasy MWCNT (długość: 3–6 mm) (Rysunek 1B).

2. Synteza hybrydowego kompozytu paliwa chemicznego i filmów MWCNT

  1. Przygotowanie paliw chemicznych
    1. Przygotować roztwór kwasu pikrynowego (2,4,6-trinitrofenolu) oraz azotku sodu (NaN3).
      1. Odparować roztwór kwasu pikrynowego, aby uzyskać proszek kwasu pikrynowego (1 atm, 25 °C, przez 24 hr). Odważyć 6 g proszku kwasu pikrynowego i rozpuścić w 100 ml acetonitrylu (262 mM).
      2. Odważyć 6 g proszku azotku sodu i rozpuścić w 100 ml wody zdejonizowanej (DI) (923 mM).
  2. Synteza i charakterystyka kompozytów hybrydowych metodą impregnacji na mokro
    1. Zmierzyć masę pojedynczego „lasu” MWCNT za pomocą mikrowagi i potwierdzić uporządkowaną strukturę lasu MWCNT za pomocą SEM (Rysunek 4A). Użyć napięcia 15 kV i powiększenia 1 200X. Sprawdzić, czy uporządkowana struktura jest zachowana w całym lesie MWCNT.
    2. Dodać 25 µl 262 mM roztworu kwasu pikrynowego na wierzch lasu MWCNT, aby paliwo mogło wniknąć w pory lasu. Pozostawić próbkę bez zmian przez 30 min, aby doprowadzić do skurczenia się macierzy filmu i umożliwić całkowite przeniknięcie kwasu pikrynowego w pory, aż cały acetonitryl odparuje z lasu (Rysunek 1C).
      Uwaga: W zależności od docelowego stosunku paliwa chemicznego do macierzy MWCNT, należy zmodyfikować stężenie i ilość roztworu kwasu pikrynowego.
    3. Zanurzyć pokryte kwasem pikrynowym lasy MWCNT w 25 µl 923 mM roztworze azotku sodu, aby w procesie impregnacji na mokro utworzyć 2,4,6-trinitrofenoksyd sodu i azotek wodoru (warstwa paliwa). Pozostawić próbkę przez 30 min do czasu odparowania wszystkich rozpuszczalników.
      Uwaga: W zależności od docelowego stosunku paliwa chemicznego do macierzy MWCNT można zmodyfikować stężenie i ilość roztworu azotku sodu.
    4. Zmierzyć masę pojedynczego kompozytu hybrydowego paliwa i MWCNT za pomocą mikrowagi, a następnie porównać masę końcową, aby obliczyć stosunek masy warstwy paliwa do MWCNT.
      Wzór równowagi statycznej \( \frac{M_h-M_m}{M_m} \); równanie porównania masy w fizyce.
      gdzie Mh i Mm oznaczają odpowiednio masę pojedynczego kompozytu hybrydowego oraz pojedynczego filmu MWCNT.
    5. Potwierdzić uporządkowaną strukturę kompozytu hybrydowego paliwa i MWCNT za pomocą SEM (Rysunek 5A). Zgodnie z instrukcjami producenta obniżyć ciśnienie dla warunków operacyjnych i zwiększać powiększenie, aż do momentu wyraźnego zaobserwowania agregacji paliwa chemicznego w uporządkowanym lesie MWCNT. Sprawdzić kształt agregacji paliwa na MWCNT.

3. Wytwarzanie generatora fal termomocy (Rysunek 2)

  1. Przymocuj taśmy miedziane do obu końców szkiełka przedmiotowego, aby służyły jako elektrody do połączenia z oscyloskopem, który mierzy napięcie stałe generowane przez falę termoelectriczną.
  2. Połącz taśmy miedziane z oboma końcami kompozytu hybrydowego za pomocą kropli pasty srebrowej. Pozostaw próbkę do czasu stwardnienia pasty srebrowej i utrwalenia połączenia.
  3. Użyj multimetru do pomiaru rezystancji elektrycznej kompozytu hybrydowego.

4. Pomiar fal termomocy (Rysunek 3)

  1. Wewnątrz komory z poliwęglanu unieruchom generator fal termoelektrycznych na stole optycznym za pomocą zacisków w celu zapewnienia bezpieczeństwa.
  2. Użyj żabCheckbox aby połączyć elektrody miedziane z oscyloskopem w celu pomiaru napięcia wyjściowego.
  3. Skonfiguruj wysokoprędkościowy system mikroskopowy [komponenty: kamera wysokoprędkościowa (> 5 000 frames/sec), obiektyw makro (obiektyw 105 mm/f2.8 oraz lampa LED] do rejestracji propagacji spalania z generatora. Umieść i włącz lampę LED przed generatorem fal termoelektrycznych, aby uzyskać wyraźny zapis z obrazami o wysokiej rozdzielczości. Ustaw prędkość rejestracji na ponad 5 000 frames/sec.
  4. Umieść pirometr optyczny w określonej pozycji, aby rejestrować zmiany temperatury kompozytu hybrydowego w czasie rzeczywistym.
  5. Zastosuj naświetlanie laserowe lub ogrzewanie dżulowskie, aby zainicjować zapłon paliwa chemicznego w kompozycie hybrydowym.
    1. Skup wiązkę lasera (<1 000 mW) w określonym punkcie na kompozycie hybrydowym. Utrzymuj skupienie przez kilka sekund, aż do zainicjowania spalania w generatorze fal termoelektrycznych.
    2. Przygotuj wysokoprądowe źródło zasilania oraz drut niklowo-chromowy. Podłącz drut do wysokoprądowego źródła zasilania (warunki pracy: 5 V i 3 A) i rozgrzej drut niklowy. Doprowadź do delikatnego kontaktu między rozgrzanym drutem niklowym a paliwem chemicznym na kompozycie hybrydowym, aż do zainicjowania spalania w generatorze fal termoelektrycznych.
  6. Włącz układ pomiarowy, składający się z wysokoprędkościowego systemu mikroskopowego, oscyloskopu i pirometru optycznego, w momencie wygenerowania fali termoelektrycznej przez generator.
    1. Ustaw częstotliwość klatek rejestracji (5 000 frames/sec) w kamerze wysokoprędkościowej. Uruchom rejestrację w momencie rozpoczęcia propagacji fali termoelektrycznej. Wykonaj serie zdjęć za pomocą wysokoprędkościowego systemu mikroskopowego i wyznacz liczbę zarejestrowanych klatek od początku do końca propagacji fali termoelektrycznej (całkowita liczba klatek).
    2. Zarejestruj sygnał napięcia od początku do końca propagacji fali termoelektrycznej za pomocą oscyloskopu. Wyznacz impuls napięcia wyjściowego (V).
    3. Skieruj pirometr optyczny na określone miejsce w kompozycie hybrydowym, wskazujące obszary docelowe, i zmierz dynamiczne zmiany temperatury (°C).
  7. Oblicz prędkość propagacji reakcji, wyznaczając pozycję frontu reakcji na poszczególnych klatkach w wysokoprędkościowym systemie mikroskopowym.
    Równanie prędkości propagacji fali termoelektrycznej; wzór naukowy do analizy termicznej.
    gdzie lh to całkowita długość kompozytu hybrydowego, nf to liczba zarejestrowanych klatek od początku do końca propagacji fali termoelektrycznej, a no to częstotliwość klatek rejestracji.
  8. Pobierz dane napięcia wyjściowego z oscyloskopu i oblicz maksymalne napięcie szczytowe oraz moc właściwą z impulsu napięcia wyjściowego. Użyj oporu elektrycznego zmierzonego w kroku 3.
  9. Wyznacz zmianę temperatury za pomocą pirometru optycznego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Uporządkowany array MWCNT, stanowiący podstawowy nanostrukturalny materiał dla fal termomocnych, został zsyntetyzowany metodą TCVD,11-13 jak pokazano na Rysunku 4A. Średnica wyhodowanych MWCNT wynosi 20–30 nm (Rysunek 4B). Uporządkowany kompozyt hybrydowy kwasu pikrynowego/azotku sodu/MWCNT przedstawiono na Rysunku 5A. Kompozyt ten zsyntetyzowano za pomocą procesu impregnacji na mokro,14 zgodnie z opisem w sekcji protokołu. Aby utworzyć interfejs mi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Protokoły eksperymentów z falami termoenergetycznymi obejmują krytyczne kroki, które umożliwiają idealną propagację fal termicznych, a także wytwarzanie energii elektrycznej. Po pierwsze, określone położenie zapłonu i odpowiadający mu transfer reakcji są istotnymi czynnikami w kontrolowaniu konwersji energii z fal termoelektrycznych. Zapłon na jednym końcu kompozytu hybrydowego uruchomił sterowane spalanie wzdłuż interfejsów między materiałami rdzeniowymi a paliwami chemicznymi w jednym kierunku. Jednak zapłon w dowolnym...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Prace te były wspierane przez Program Badań Podstawowych za pośrednictwem Narodowej Fundacji Badawczej Korei (NRF), finansowany przez Ministerstwo Edukacji, Nauki i Technologii (NRF-2013R1A1A1010575) oraz przez program badawczo-rozwojowy Nano za pośrednictwem Korea Science and Engineering Foundation finansowany przez Ministerstwo Edukacji, Nauki i Technologii (NRF-2012M3A7B4049863).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
4" wafel krzemowy typu nUnisill4" Si-wafel
Al2O3TAEWONA-100899.9999% Czystość
FeSigma Aldrich26794599.9999% Czystość
ArSeoul gaz specjalnyAr(N60)99.9999% Czystość
C2H4Seoul gaz specjalnyC2H499,5% Czystość
H2Seoul gaz specjalnyH2(N60)99,9999% Czystość
Pasta srebrnaFujikura KaseiD-550
Kwas pikrynowySigma Aldrich197378> 98% czystości
Wysoce toksyczny
azydek soduSigma AldrichS2002> 99,5% Czystość
AcetonitrylSigma Aldrich27100499,8% Czystość
ZasilanieMastechHY3010
TCVDScientechTCVD
OscyloskopTektronixDPO2004B
Szybki system mikroskopowyPhantomV7.3

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Choi, W., Abrahamson, J. T., Strano, J. M., Strano, M. S. Carbon nanotube-guided thermopower waves. Materials Today. 13, 22-33 (2010).
  5. Choi, W., et al. Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves. Nat Mater. 9, 423-429 (2010).
  6. Abrahamson, J. T., et al. Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources. Acs Nano. 5, 367-375 (2011).
  7. Walia, S., et al. ZnO based thermopower wave sources. Chem Commun. 48, 7462-7464 (2012).
  8. Walia, S., et al. Sb2Te3 and Bi2Te3 based thermopower wave sources. Energ Environ Sci. 4, 3558-3564 (2011).
  9. 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).
  10. Walia, S., et al. MnO2-Based Thermopower Wave Sources with Exceptionally Large Output Voltages. J Phys Chem C. 117, 9137-9142 (2013).
  11. Aria, A. I., Gharib, M. Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays. J Vis Exp. , (2013).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Grimme, S. Do Special Noncovalent π–π Stacking Interactions Really Exist. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3430-3434 (2008).
  15. Yeo, T., et al. Effects of chemical fuel composition on energy generation from thermopower waves. Nanotechnology. 25, (2014).
  16. 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).
  17. Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Physical review letters. 87, 215502(2001).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Rinkenbach, W. H. The Heats Of Combustion And Formation Of Aromatic Nitro Compounds. Journal of the American Chemical Society. 52, 115-120 (1930).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Hybrydowy kompozyt paliwa chemicznegotermiczne osadzanie z fazy gazowejmetoda impregnacji na mokrowysokoszybko ciowy system mikroskopowypomiar napi cia oscyloskopemledzenie temperatury pirometrem optycznymzap on poprzez laserowe ogrzewanie d ulowegenerowanie energii elektrycznej