Name: Otrzymywanie i ocena hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i wielościennych nanorurek węglowych w badaniach fal termoenergetycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-04-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 35 s
Description: Poznaj metodę generowania energii elektrycznej za pomocą fal termoenergetycznych w hybrydowych kompozytach nanorurek węglowych. Technika ta umożliwia bezmechaniczne przetwarzanie paliw chemicznych w mikroskali.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Synteza pionowo uporządkowanych wielościennych nanorurek węglowych (VAMWCNTs)
<ol>
	<li>Przygotowanie wafla i osadzanie warstw katalizatora
	<ol>
		<li>Przygotuj wafel Si typu n (100).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Synteza macierzy MWCNT metodą TCVD i przygotowanie wolnostojących lasów MWCNT.
	<ol>
		<li>Umieść wafel Fe/Al2O3/SiO2/Si centralnie w łódzce kwarcowej o wymiarach 120 mm × 30 mm.</li>
		<li>Włóż łódzkę kwarcową do 2-calowej rurki kwarcowej w układzie TCVD (Rysunek 1A).</li>
		<li>Wprowadź 900 sccm gazu Ar przez 10 min w warunkach otoczenia, aby usunąć powietrze i wypełnić 2-calową rurkę kwarcową argonem.</li>
		<li>Wprowadź 600 sccm gazu Ar i 400 sccm gazu H2, zwiększając temperaturę w piecu od 25 °C do 750 °C w ciągu 30 min.</li>
		<li>Wprowadź 100 sccm gazu Ar i 400 sccm gazu H2 w temperaturze 750 °C przez 10 min, aby sformować nanocząstki Fe jako zarodki MWCNT.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Wyjmij MWCNT z wafla. Delikatnie oddziel macierz MWCNT od wafla, aby uzyskać wolnostojące lasy MWCNT (długość: 3–6 mm) (Rysunek 1B).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Synteza hybrydowego kompozytu paliwa chemicznego i filmów MWCNT
<ol>
	<li>Przygotowanie paliw chemicznych
	<ol>
		<li>Przygotować roztwór kwasu pikrynowego (2,4,6-trinitrofenolu) oraz azotku sodu (NaN3).
		<ol>
			<li>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).</li>
			<li>Odważyć 6 g proszku azotku sodu i rozpuścić w 100 ml wody zdejonizowanej (DI) (923 mM).</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Synteza i charakterystyka kompozytów hybrydowych metodą impregnacji na mokro
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zmierzyć masę pojedynczego kompozytu hybrydowego paliwa i MWCNT za pomocą mikrowagi, a następnie porównać masę końcową, aby obliczyć stosunek masy warstwy paliwa do MWCNT. 
		<img alt="Wzór równowagi statycznej \( \frac{M_h-M_m}{M_m} \); równanie porównania masy w fizyce." src="/files/ftp_upload/52818/52818eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> 
		gdzie Mh i Mm oznaczają odpowiednio masę pojedynczego kompozytu hybrydowego oraz pojedynczego filmu MWCNT.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Wytwarzanie generatora fal termomocy (Rysunek 2)
<ol>
	<li>Przymocuj taśmy miedziane do obu końców szkiełka przedmiotowego, aby służyły jako elektrody do połączenia z oscyloskopem, który mierzy napięcie stałe generowane przez falę termoelectriczną.</li>
	<li>Połącz taśmy miedziane z oboma końcami kompozytu hybrydowego za pomocą kropli pasty srebrowej. Pozostaw próbkę do czasu stwardnienia pasty srebrowej i utrwalenia połączenia.</li>
	<li>Użyj multimetru do pomiaru rezystancji elektrycznej kompozytu hybrydowego.</li>
</ol>
4. Pomiar fal termomocy (Rysunek 3)
<ol>
	<li>Wewnątrz komory z poliwęglanu unieruchom generator fal termoelektrycznych na stole optycznym za pomocą zacisków w celu zapewnienia bezpieczeństwa.</li>
	<li>Użyj żabCheckbox aby połączyć elektrody miedziane z oscyloskopem w celu pomiaru napięcia wyjściowego.</li>
	<li>Skonfiguruj wysokoprędkościowy system mikroskopowy [komponenty: kamera wysokoprędkościowa (&gt; 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.</li>
	<li>Umieść pirometr optyczny w określonej pozycji, aby rejestrować zmiany temperatury kompozytu hybrydowego w czasie rzeczywistym.</li>
	<li>Zastosuj naświetlanie laserowe lub ogrzewanie dżulowskie, aby zainicjować zapłon paliwa chemicznego w kompozycie hybrydowym.
	<ol>
		<li>Skup wiązkę lasera (&lt;1 000 mW) w określonym punkcie na kompozycie hybrydowym. Utrzymuj skupienie przez kilka sekund, aż do zainicjowania spalania w generatorze fal termoelektrycznych.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Włącz układ pomiarowy, składający się z wysokoprędkościowego systemu mikroskopowego, oscyloskopu i pirometru optycznego, w momencie wygenerowania fali termoelektrycznej przez generator.
	<ol>
		<li>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).</li>
		<li>Zarejestruj sygnał napięcia od początku do końca propagacji fali termoelektrycznej za pomocą oscyloskopu. Wyznacz impuls napięcia wyjściowego (V).</li>
		<li>Skieruj pirometr optyczny na określone miejsce w kompozycie hybrydowym, wskazujące obszary docelowe, i zmierz dynamiczne zmiany temperatury (°C).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oblicz prędkość propagacji reakcji, wyznaczając pozycję frontu reakcji na poszczególnych klatkach w wysokoprędkościowym systemie mikroskopowym. 
	<img alt="Równanie prędkości propagacji fali termoelektrycznej; wzór naukowy do analizy termicznej." src="/files/ftp_upload/52818/52818eq2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 2"> 
	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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wyznacz zmianę temperatury za pomocą pirometru optycznego.</li>
</ol>

<ol><li>Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R. Q., Zhang, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanostructured+Energetic+Composites%3A+Synthesis%2C+Ignition%2FCombustion+Modeling%2C+and+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Appl+Mater+Inter%22%5BJournal%5D)">Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications.</a> Acs Appl Mater Inter. 6, 3058-3074 (2014).</li>
<li>Zhang, K., Chou, S., Ang, S., Tang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+MEMS-based+solid+propellant+microthruster+with+Au%2FTi+igniter%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 122, 113-123 (2005).</li>
<li>Zhang, W. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Significantly+Enhanced+Energy+Output+from+3D+Ordered+Macroporous+Structured+Fe2O3%2FAl+Nanothermite+Film%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Appl+Mater+Inter%22%5BJournal%5D)">Significantly Enhanced Energy Output from 3D Ordered Macroporous Structured Fe2O3/Al Nanothermite Film.</a> Acs Appl Mater Inter. 5, 239-242 (2013).</li>
<li>Choi, W., Abrahamson, J. T., Strano, J. M., Strano, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotube-guided+thermopower+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotube-guided thermopower waves.</a> Materials Today. 13, 22-33 (2010).</li>
<li>Choi, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemically+driven+carbon-nanotube-guided+thermopower+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves.</a> Nat Mater. 9, 423-429 (2010).</li>
<li>Abrahamson, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wavefront+Velocity+Oscillations+of+Carbon-Nanotube-Guided+Thermopower+Waves%3A+Nanoscale+Alternating+Current+Sources%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources.</a> Acs Nano. 5, 367-375 (2011).</li>
<li>Walia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ZnO+based+thermopower+wave+sources%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">ZnO based thermopower wave sources.</a> Chem Commun. 48, 7462-7464 (2012).</li>
<li>Walia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sb2Te3+and+Bi2Te3+based+thermopower+wave+sources%5BTitle%5D)+AND+%22Energ+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Sb2Te3 and Bi2Te3 based thermopower wave sources.</a> Energ Environ Sci. 4, 3558-3564 (2011).</li>
<li>Hong, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+Electrical+Potential+of+Thermoelectric+Power+Waves+by+Sb2Te3-Coated+Multiwalled+Carbon+Nanotube+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+C%22%5BJournal%5D)">Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays.</a> J Phys Chem C. 117, 913-917 (2013).</li>
<li>Walia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MnO2-Based+Thermopower+Wave+Sources+with+Exceptionally+Large+Output+Voltages%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+C%22%5BJournal%5D)">MnO2-Based Thermopower Wave Sources with Exceptionally Large Output Voltages.</a> J Phys Chem C. 117, 9137-9142 (2013).</li>
<li>Aria, A. I., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dry+oxidation+and+vacuum+annealing+treatments+for+tuning+the+wetting+properties+of+carbon+nanotube+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays.</a> J Vis Exp. , (2013).</li>
<li>Zhao, Y., Tang, Y., Star, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+functionalization+of+nitrogen-doped+carbon+nanotube+cups+with+gold+nanoparticles+as+cork+stoppers%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Synthesis and functionalization of nitrogen-doped carbon nanotube cups with gold nanoparticles as cork stoppers.</a> J Vis Exp. , e50383(2013).</li>
<li>Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M., Hart, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication%2C+densification%2C+and+replica+molding+of+3D+carbon+nanotube+microstructures%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Fabrication, densification, and replica molding of 3D carbon nanotube microstructures.</a> J Vis Exp. , (2012).</li>
<li>Grimme, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+Special+Noncovalent+%CF%80%E2%80%93%CF%80+Stacking+Interactions+Really+Exist%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Do Special Noncovalent π–π Stacking Interactions Really Exist.</a> Angewandte Chemie International Edition. 47, 3430-3434 (2008).</li>
<li>Yeo, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+chemical+fuel+composition+on+energy+generation+from+thermopower+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Effects of chemical fuel composition on energy generation from thermopower waves.</a> Nanotechnology. 25, (2014).</li>
<li>Hong, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+Electrical+Potential+of+Thermoelectric+Power+Waves+by+Sb2Te3-Coated+Multiwalled+Carbon+Nanotube+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 117, 913-917 (2013).</li>
<li>Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+transport+measurements+of+individual+multiwalled+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+review+letters%22%5BJournal%5D)">Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes.</a> Physical review letters. 87, 215502(2001).</li>
<li>Garner, W., Abernethy, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heats+of+combustion+and+formation+of+nitro-compounds.+Part+I.+Benzene%2C+toluene%2C+phenol+and+methylaniline+series%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society+of+London.+Series+A%22%5BJournal%5D)">Heats of combustion and formation of nitro-compounds. Part I. Benzene, toluene, phenol and methylaniline series.</a> Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 99, 213-235 (1921).</li>
<li>Passingham, C., Hendra, P. J., Hodges, C., Willis, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Raman+spectra+of+some+aromatic+nitro+compounds%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochimica+Acta+Part+A%3A+Molecular+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">The Raman spectra of some aromatic nitro compounds.</a> Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. 47, 1235-1245 (1991).</li>
<li>Rinkenbach, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Heats+Of+Combustion+And+Formation+Of+Aromatic+Nitro+Compounds%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">The Heats Of Combustion And Formation Of Aromatic Nitro Compounds.</a> Journal of the American Chemical Society. 52, 115-120 (1930).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>4" wafel krzemowy typu n</td><td>Unisill</td><td>4" Si-wafel</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3</td><td>TAEWON</td><td>A-1008</td><td>99.9999% Czystość</td></tr><tr><td>Fe</td><td>Sigma Aldrich</td><td>267945</td><td>99.9999% Czystość</td></tr><tr><td>Ar</td><td>Seoul gaz specjalny</td><td>Ar(N60)</td><td>99.9999% Czystość</td></tr><tr><td>C2H4</td><td>Seoul gaz specjalny</td><td>C2H4</td><td>99,5% Czystość</td></tr><tr><td>H2</td><td>Seoul gaz specjalny</td><td>H2(N60)</td><td>99,9999% Czystość</td></tr><tr><td>Pasta srebrna</td><td>Fujikura Kasei</td><td>D-550</td><td></td></tr><tr><td>Kwas pikrynowy</td><td>Sigma Aldrich</td><td>197378</td><td>> 98% czystości Wysoce toksyczny</td></tr><tr><td>azydek sodu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S2002</td><td>> 99,5% Czystość</td></tr><tr><td>Acetonitryl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>271004</td><td>99,8% Czystość</td></tr><tr><td>Zasilanie</td><td>Mastech</td><td>HY3010</td><td></td></tr><tr><td>TCVD</td><td>Scientech</td><td>TCVD</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop</td><td>Tektronix</td><td>DPO2004B</td><td></td></tr><tr><td>Szybki system mikroskopowy</td><td>Phantom</td><td>V7.3</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves

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.

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...

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.

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

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zademonstrowanie generowania energii elektrycznej poprzez spalanie chemiczne z fal termoelektrycznych. Zostaje to osiągnięte najpierw poprzez przygotowanie nanomateriałów rdzeniowych, takich jak wielościenne nanorurki węglowe, metodą termicznej chemicznej osadzania z fazy gazowej. Drugim krokiem jest synteza hybrydowego kompozytu nanomateriałów rdzeniowych i paliw chemicznych metodą impregnacji na mokro.Następnie wytwarzane są generatory fal mocy termicznej, składające się z kompozytów hybrydowych oraz dołączonych do nich elektrod. Elektrody miedziane są łączone z kompozytami hybrydowymi za pomocą pasty srebrowej. Ostatnim krokiem jest pomiar napięcia wyjściowego, odpowiadającej temperatury oraz prędkości propagacji reakcji fal mocy termicznej przy użyciu oscyloskopu, parametrów optycznych oraz wysokoprędkościowego systemu mikroskopowego.W końcowym rozrachunku protokół eksperymentów z falami termomocowymi przedstawia kluczowe etapy umożliwiające wykorzystanie fal termomocowych do zoptymalizowanego rozprzestrzeniania się fal cieplnych i generowania energii elektrycznej. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak konwencjonalne spalanie w celu wytworzenia energii elektrycznej, jest brak konieczności stosowania części mechanicznych, takich jak kompresor czy turbina. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące nowych rodzajów źródeł zasilania w obszarze mikro- i nanoskali, takich jak zastosowania inteligentnego pyłu (smart dust) oraz mikrorobotyka, nanorobotyka i siłowniki, ponieważ pozwala na bezpośrednie generowanie wysokiej mocy właściwej przy użyciu paliw chemicznych o wysokiej gęstości energii.Co więcej, fala mocy termicznej jest generowana bez żadnych mechanicznych części ruchomych, dzięki czemu generator może być zminiaturyzowany i zintegrowany w skali mikro i nano. W pierwszej kolejności, wcześniej przygotowane warstwy tlenku żelaza i glinu na dwutlenku krzemu, płytka krzemowa w łódce kwarcowej o wymiarach 120 milimetrów na 30 milimetrów, umieszczono łódkę kwarcową wewnątrz dwucalowej rurki kwarcowej zestawu do termicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej. Po wytworzeniu matrycy wielościennych nanorurek węglowych, delikatnie oddzielono je od płytki, aby uzyskać wolnostojące lasy wielościennych nanorurek węglowych.Aby przygotować paliwo chemiczne, rozpuść sześć gramów proszku kwasu piri odparowanego z kwasu piri w 100 mililitrach acetonitrylu. Następnie rozpuść sześć gramów azotku sodu w 100 mililitrach wody dejonizowanej. Aby zsyntetyzować kompozyt hybrydowy, zmierz masę pojedynczego lasu wielościennych nanorurek węglowych za pomocą mikrowagi.Następnie potwierdź wyrównanie struktur lasu wielościennych nanorurek węglowych za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Sprawdź, czy wyrównana struktura jest zachowana w całym lesie wielościennych nanorurek węglowych. Następnie dodaj 25 µL roztworu kwasu pirofosforowego na wierzch lasu wielościennych nanorurek węglowych, aby umożliwić przeniknięcie paliwa do porów lasu.Pozostaw próbkę na 30 minut, aby matryca filmu skurczyła się i aby kwas piri w pełni spenetrował pory, aż cały acetonitryl odparuje. W tym momencie zanurz lasy wielościannych nanorurek węglowych powleczonych kwasem piri w 25 µL wcześniej przygotowanego roztworu azotku sodu, aby poprzez impregnację na mokro utworzyć 2 4 6 trinitro tlenek sodu i azydku wodoru. Po odparowaniu rozpuszczalnika z próbki przez 30 minut, zmierz masę pojedynczego kompozytu hybrydowego paliwa i wielościannych nanorurek węglowych za pomocą mikrowagi.Następnie porównaj masę końcową, aby obliczyć stosunek masy warstwy paliwa do wielościennych nanorurek węglowych, korzystając z następującego równania. Przytwierdź taśmę miedzianą do obu końców szkiełka przedmiotowego, aby pełniły one rolę elektrod do połączenia z oscyloskopem, który mierzy wyjściowe napięcie stałe z fali mocy termicznej. Następnie użyj pasty srebrowej, aby połączyć taśmę miedzianą z oboma końcami kompozytu hybrydowego.Po utwardzeniu się pasty srebrowej i ustabilizowaniu połączenia, należy użyć multimetru do pomiaru rezystancji elektrycznej kompozytu hybrydowego wewnątrz komory z poliwęglanu. W celu zapewnienia bezpieczeństwa generator fal termoelektrycznych należy przymocować do stołu optycznego za pomocą zacisków. Następnie, używając klipsów typu krokodylek, należy połączyć elektrody miedziane z oscyloskopem w celu pomiaru napięcia wyjściowego.Przygotuj system mikroskopii wysokiej prędkości do rejestracji propagacji spalania z generatora. Włącz lampę LED, aby uzyskać wyraźny zapis z obrazami o wysokiej rozdzielczości przed generatorem fali termomocy. Następnie ustaw prędkość rejestracji na ponad 5 000 klatek na sekundę.Po przygotowaniu zasilacza wysokoprądowego oraz drutu niklowo-chromowego, podłącz drut do zasilacza i go rozgrzej. Delikatnie zetknij rozgrzany drut niklowy z paliwem chemicznym na kompozycie hybrydowym, aż do zainicjowania spalania w generatorze fal termomocy. Gdy generator uruchomi falę termomocy, ustaw częstotliwość rejestracji klatek na 5 000 frames per second w kamerze wysokich prędkości.Uruchom nagrywanie w momencie rozpoczęcia propagacji fali termowoltaicznej. Następnie zarejestruj serie zdjęć za pomocą systemu mikroskopii wysokiej rozdzielczości i ustal liczbę klatek zarejestrowanych od początku do końca propagacji fali termowoltaicznej. W tym kroku, za pomocą oscyloskopu, zarejestruj sygnał napięcia od początku do końca propagacji fali termowoltaicznej i wyodrębnij impuls napięcia wyjściowego.Na koniec oblicz prędkość propagacji reakcji, wyznaczając pozycję frontu reakcji w poszczególnych klatkach obrazu w systemie mikroskopii wysokich prędkości i korzystając z poniższego równania. Przedstawiono tutaj uporządkowaną macierz wielościennych nanorurek węglowych jako rdzeniowy materiał nanostrukturalny dla fal termomocy. Średnica wyhodowanych wielościennych nanorurek węglowych wynosi od 20 do 30 nanometrów.Przedstawiono tutaj wyrównany kompozyt hybrydowy kwasu piri, azotku sodu i wielościennych nanorurek węglowych. Mieszanina kwasu piri i azotku sodu utworzyła strukturę jednowymiarową, która wzmocniła spalanie. Po wykonaniu generatora fal termoelektrycznych system mikroskopii wysokiej rozdzielczości zarejestrował propagację spalania.Podwójne ogrzewanie zainicjowało spalanie, które szybko przekształciło się w samopodtrzymującą się reakcję chemiczną wzdłuż kierunku uporządkowania wielościennych nanorurek węglowych; jednocześnie, przy użyciu zsynchronizowanego oscyloskopu, uzyskano konwersję energii elektrycznej. Drut niklowo-chromowy użyty do zapłonu stykał się wyłącznie z mieszaniną paliwową na kompozycie hybrydowym, dzięki czemu nie wystąpiły zakłócenia ze strony zewnętrznego sygnału elektrycznego. Podczas przeprowadzania tej procedury należy pamiętać o odpowiednim wykonaniu struktur hybrydowych, tak aby paliwa chemiczne były wyrównane bardziej w stronę nanorurek węglowych.W naszych zoptymalizowanych krokach metoda zasilania powinna być 10 razy niższa niż w przypadku wielokrotnych rurek węglowych dla wysokich korpusów z jedną narodową propagacją fal spalania po jej rozwoju. Technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie generowania lub pozyskiwania energii do badania wysokiej mocy właściwej dla mikro- i nanoskal z combustion chemicznego. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobre zrozumienie tego, jak energia chemiczna w paliwach spalacza może zostać przekształcona w energię termiczną i elektryczną w falach mocy termicznej oraz w jaki sposób można ją zaprojektować i zoptymalizować, aby kontrolować propagację termiczną i napięcie wyjściowe.Należy pamiętać, że praca z materiałami łatwopalnymi, takimi jak paliwa chemiczne, może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania procedury zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak stosowanie komory odpływowej lub kontrolowanie ilości uwalnianych substancji chemicznych.

preparation-evaluation-hybrid-composites-chemical-fuel-multi-walled

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przygotowanie i ocena hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i wielosciennych nanorur węglowych w badaniach fal termoelektrycznych

Anodowe wyładowanie łukowe jest jedną z najbardziej praktycznych i wydajnych metod syntezy różnorodnych nanostruktur węglowych. W celu zwiększenia sterowalności i elastyczności łuku wprowadzono niejednorodne pole magnetyczne, aby przeprowadzić jednoczynnikową syntezę wielkoskalowych płatków grafenu oraz wysokiej czystości jednościennych nanorurek węglowych.

Symultaniczna synteza jednościnnych nanorurek węglowych i grafenu w plazmie łukowej wzmocnionej magnetycznie

Ten protokół opisuje przygotowanie bezgazowych nanostrukturalnych materiałów energetycznych (Ni+Al, Ta+C, Ti+C) przy użyciu techniki krótkotrwałego wysokoenergetycznego mielenia kulowego (HEBM). Opisano w nim również metodę szybkiego obrazowania termicznego do badania reaktywności mechanicznie wytwarzanych nanokompozytów. Protokoły te można rozszerzyć na inne reaktywne nanostrukturalne materiały energetyczne.

Otrzymywanie i reaktywność bezgazowych nanostrukturalnych materiałów energetycznych

Informujemy o inteligentnym zastosowaniu nanorurek węglowych do kinetycznej stabilizacji cząsteczek lipidowych, które zawierają samoorganizujące się nanostruktury w swoich rdzeniach. Przygotowanie cząsteczek lipidowych wymaga raczej niskich stężeń nanorurek węglowych, co pozwala na ich wykorzystanie w zastosowaniach biomedycznych, takich jak dostarczanie leków.

Łatwe przygotowanie wewnętrznie samoorganizujących się cząstek lipidowych stabilizowanych przez nanorurki węglowe

Przedstawiono metodę funkcjonalizacji nanorurek węglowych z polimerowymi warstwami enkapsulacyjnymi o zmiennej strukturze oraz charakterystyki strukturalnej za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem.

Funkcjonalizacja jednościennych nanorurek węglowych z termoodwracalnymi kopolimerami blokowymi i charakterystyka za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem

Tutaj opisana jest nowatorska metoda funkcjonalizacji i stabilnej dyspersji nanomateriałów węglowych w środowisku wodnym. Ozon jest wstrzykiwany bezpośrednio do wodnej dyspersji nanomateriału węglowego, który jest stale recyrkulowany przez ogniwo ultradźwiękowe o dużej mocy.

Funkcjonalizacja i dyspersja nanomateriałów węglowych z wykorzystaniem przyjaznego dla środowiska procesu ozonolizy ultradźwiękowej

Przedstawiono procedurę syntezy wielościennych nanorurek węglowych szczepionych polistyrenem przy użyciu kolejnych etapów modyfikacji chemicznej w celu selektywnego wprowadzania łańcuchów polimerowych do ścian bocznych i ich samoorganizacji poprzez anizotropową niejednolitość.

Szczepienie wielościennych nanorurek węglowych polistyrenem w celu umożliwienia samoorganizacji i niejednolitości anizotropowej

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania hybrydowych nanostruktur C60/grafen poprzez fizyczne odparowanie termiczne. W szczególności odpowiednia manipulacja warunkami osadzania i wyżarzania pozwala na kontrolę nad tworzeniem struktur 1D i quasi 1D C60 na pofałdowanym grafenie.

Otrzymywanie i charakterystyka hybrydowych nanostruktur C60/grafen

Przedstawiono protokół syntezy HNbWO6, HNbMoO6, HTaWO6 zmodyfikowanych nanoarkuszami kwasów stałych Pt/CNT.

Dostrajanie kwasowości katalizatorów Pt/CNT do hydroodtleniania eteru difenylowego

Tutaj demonstrujemy prosty i tani proces odlewania roztworu, aby poprawić kompatybilność między wypełniaczem a matrycą nanokompozytów na bazie polimerów za pomocą modyfikowanych powierzchniowo wypełniaczy BaTiO3, które mogą skutecznie zwiększyć gęstość energii kompozytów.

Zastosowanie czynnika sprzęgającego w celu poprawy właściwości dielektrycznych nanokompozytów na bazie polimerów

Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.

Poprawa wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowego ziarna paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej

Tutaj prezentujemy protokół syntezy nanocząstek Co na nanorurkach węglowych z domieszkami Co- i N- do produkcji wodoru.

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

Poznaj metodę generowania energii elektrycznej za pomocą fal termoenergetycznych w hybrydowych kompozytach nanorurek węglowych. Technika ta umożliwia bezmechaniczne przetwarzanie paliw chemicznych w mikroskali.

Otrzymywanie i ocena hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i wielościennych nanorurek węglowych w badaniach fal termoenergetycznych (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów