Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Forberedelse og evaluering av Hybrid Composites av Chemical Fuel og Multi-vegger karbonnanorør i Study of Thermopower Waves

doi: 10.3791/52818 Published: April 10, 2015
* These authors contributed equally

Abstract

Når en kjemisk brennstoff i en viss posisjon i en hybrid kompositt av brennstoffet og en mikro / nanostrukturerte materiale antennes, oppstår kjemisk forbrenning langs grenseflaten mellom brensel- og kjernematerialer. Samtidig dynamiske endringer i termiske og kjemiske potensialer på tvers av mikro / nanostrukturerte materialer resulterer i samtidig elektrisk energi generasjon indusert ved overføring kostnad i form av en høy utgangsspenning puls. Vi viser hele prosedyren av en thermopower bølge eksperiment, fra syntese til evaluering. Termisk kjemisk dampavsetning, og den våte impregneringsprosessen er henholdsvis anvendes for syntese av en fler vegger karbon nanorør matrise og en hybrid kompositt av pikrinsyre / natriumazid / fler vegger karbon nanorør. De fremstilte hybrid-kompositter blir brukt til å fremstille en thermopower bølgegenerator med koblingselektroder. Forbrenningen av det hybride kompositt initieres ved laser oppvarming eller Joule-oppvarming, og the tilsvarende forbrennings forplantning, direkte elektrisk energi generasjon, og real-time temperaturendringer måles ved hjelp av en høyhastighetsmikros system, et oscilloskop, og en optisk pyrometer, henholdsvis. Videre er det avgjørende strategier for å bli tatt i bruk i syntesen av hybrid kompositt og initiering av deres forbrenning som forbedrer den totale thermopower bølgeenergioverføringen er foreslått.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Kjemiske brensel har svært høy energitetthet og har blitt mye brukt som nyttige energikilder i et bredt spekter av applikasjoner fra mikrosystemer til macrosystems. 1. Spesielt har mange forskere forsøkt å bruke kjemiske brensel som energikilde for neste generasjons mikro / nanosystemer -baserte teknologier. 2. Imidlertid, på grunn av vanskeligheten med å integrere energiomforming komponenter i svært små mellomrom i mikro / nanodevices, er det fundamentale begrensninger for konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi. Derfor har forbrenning av kjemiske brennstoffer hovedsakelig blitt anvendt for fremstilling av kjemisk eller mekanisk energi i mikro / nanodevices som nanothermites eller microactuators. 1,3

Thermopower bølger-en nyutviklet energikonvertering konsept har tiltrukket seg stor oppmerksomhet som en metode for å omdanne den kjemiske energien i et brensel direkte til elektrisk eneRGY uten bruk av konverterings komponenter. 4,5 Thermopower bølger kan genereres ved hjelp av en hybrid kompositt av en kjemisk brennstoff og en mikro / nanostrukturerte materiale. 5 Når det kjemiske drivstoffet ved en bestemt posisjon i en hybrid kompositt antennes, oppstår kjemisk forbrenning langs grensesnittet mellom kjemisk brennstoff og mikro / nanostrukturerte materiale. Samtidig dynamiske endringer i termiske og kjemiske potensialer over kjernen mikro / nanostrukturerte materialer resultat i samtidig elektrisk energi generasjon indusert ved overføring kostnad i form av en høy utgangsspenning puls. Det har vist seg at forskjellige mikro / nanostrukturerte materialer, slik som fler vegger karbon nanorør (MWCNTs) 4-6 og ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 2 Sb Te 3, 9 og MnO 2 10 mikro / nanostrukturerte materialer tillater hybrid kompositter å utnytte thermopower bølger og vise kjemisk-termisk-electrical energi konvertering. Nærmere bestemt, kjernematerialer med en høy Seebeck-koeffisient muliggjøre generering av høyt utgangsspenninger utelukkende fra formeres forbrenning. Imidlertid kan andre parametere knyttet til identiske sammensetninger, slik som blandingen av kjemiske brennstoffer, masseforholdet mellom brensel / kjerne-materialer, fremstillingsprosessen, og antennelsesbetingelser kritisk påvirker de samlede egenskaper av thermopower bølger.

Her, viser vi hvordan produksjonsprosesser, dannelse av en justert kjemisk drivstoff, og masseforhold av drivstoff / kjernematerialer påvirke thermopower bølge ytelse. På basis av en MWCNT matrise fremstilt ved termisk kjemisk dampavsetning (TCVD), viser vi hvordan en hybrid kompositt av en kjemisk brennstoff og MWCNTs er forberedt for thermopower bølgeenergigenererings. Utformingen av det eksperimentelle oppsettet som muliggjør vurdering av energiomforming er innført sammen med tilsvarende eksperimentelle målinger for prosesser som for eksempel forbrennings propagatipå og direkte elektrisk energi generasjon. Videre viser vi at polariteten fordeling beskrevne ved den dynamiske utgangsspenning og spesifikk spisseffekt-avgjørende bestemmer den elektriske energiomforming. Denne studien vil gi konkrete strategier for å forbedre energiproduksjon, og vil hjelpe i å forstå de underliggende fysikken i thermopower bølger. Videre vil produksjonsprosessen og eksperimenter beskrevet her hjelpe i å utvide forskningsmuligheter på thermopower bølger, så vel som på kjemisk-termisk-elektrisk energi konvertering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Syntese av vertikalt flerveggs karbonnanorør (VAMWCNTs)

  1. Fremstilling av skiven og avsetning av katalysatorlagene
    1. Forberede en n-type (100) Si wafer.
    2. Avsette et 250 nm tykt SiO2-lag på Si wafer ved termisk oksydasjon eller alternative metoder som sputtering. Injisere 200 sccm av O 2 i 3 timer 20 minutter ved 1000 ° C i en horisontal ovn.
    3. Bruke bulk Al 2O 3 (99,9%) som et fler frese (RF-effekt: 1000 W) kilde og avsette et 10 nm tykt Al 2O 3 (99,9%) lag på SiO2-laget. Bruk en langsom avsetningshastighet på 10 nm / min med en avsetning trykk på 2 × 10 -2 mbar.
    4. Bruke bulk Fe (99,9%) som en kilde ved anvendelse av en E-stråle-fordamper, og avsette et 1 nm tykt Fe-lag på Al 2 O 3 lag. Bruk en langsom avsetningshastighet på ~ 0,1 nm / sek med en avsetning trykk på 5 × 10 -6 Torr. Kutt Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si wafer til en 28 mm × 15 mm størrelse ved hjelp av en diamant deltakeren.
      Merk: Avhengig av den ønskede størrelsen på VAMWCNT matrise, kan størrelsen av Fe / Al 2O 3 / SiO2 / Si platen varieres.
  2. Syntese av MWCNT utvalg av TCVD og utarbeidelse av frittstående MWCNT skoger.
    1. Plasser Fe / Al 2O 3 / SiO2 / Si platen sentralt i et kvartsrør båt som har dimensjoner på 120 mm x 30 mm.
    2. Plasser kvarts båt inne i to-tommers kvarts tube av TCVD oppsett (figur 1A).
    3. Injisere 900 sccm av Ar gass i 10 minutter under omgivelsesbetingelser for å fjerne luft og fylle to-tommers kvartsrør med Ar.
    4. Injisere 600 sccm Ar gass og 400 sccm H2 gass og samtidig øke temperaturen i ovnen fra 25 ° C til 750 ° C i 30 min.
    5. Injisere 100 SCCM av Ar gass og 400 SCCM av H 2 gas ved 750 ° C i 10 min for å formulere Fe nanopartikler som røtter av MWCNTs.
    6. Injisere 100 sccm Ar gass, 368 SCCM av H2 gass og 147 sccm av etylen (C 2 H 4) gass ved 750 ° C i 280 min. Samtidig gjelder Joule oppvarming ved inngangen til kvartsrøret med wolfram glødetråd (Spenning: 0,8 V, strøm: 15 A) for å fremme nedbrytning av C-2-H 4-gass for å virke som en karbonkilde. Disse karbonkilder er festet til Fe nanopartikler på Si wafere og transformert inn CNTs.
    7. Stopp injeksjon av H 2 gass og C 2 H 4 gass, og slå av ovnen. I løpet av denne fremgangsmåten, kontinuerlig injisere 100 sccm Ar gass inntil temperaturen av skiven faller under 60 ° C.
    8. Ta ut MWCNTs på wafer. Forsiktig skille MWCNT matrisen fra wafer å få frittstående MWCNT skoger (lengde: 3-6 mm) (figur 1B).

  1. Utarbeidelse av kjemiske drivstoff
    1. Forberede en pikrinsyre (2,4,6-trinitro fenol) løsning og natriumazid (NaN 3).
      1. Fordamp pikrinsyre løsning for å oppnå pikrinsyre pulver (1 atm, 25 ° C, i 24 timer). Mål 6 g av pikrinsyre pulver og oppløses i 100 ml acetonitril (262 mM).
      2. Mål 6 g av natriumazid pulver og oppløses i 100 ml deionisert (DI) vann (923 mM).
  2. Syntese og karakterisering av hybrid kompositter via våtimpregnering
    1. Måle massen til et individ MWCNT skog med en mikrovekt og bekrefter de innrettede strukturer av MWCNT skogen ved SEM (figur 4A). Bruk en spenning på 15 kV og en forstørrelse på 1,200X. Sjekk om justert strukturen opprettholdes over hele MWCNT skogen.
    2. Legg 25 mL av 262 mM pikrinsyre løsning på top av MWCNT skogen for å tillate drivstoff å trenge inn i porene i skogen. La prøven som er i 30 min for å krympe filmen array, og la pikrinsyre til fullt ut trenge inn i porene inntil alt acetonitril har fordampet fra skogen (figur 1C).
      Merk: Avhengig av målet forholdet mellom kjemisk drivstoff og MWCNT array, endre konsentrasjonen og mengden av det pikrinsyre løsning.
    3. Fordype pikrinsyre belagt MWCNT skoger i 25 ul av 923 mM natriumazid løsning for å danne 2,4,6-trinitro natrium fenoksyd og hydrogen azidet (drivstoff lag) ved våt impregnering. La prøven i 30 minutter inntil alle løsningsmidlene fordamper.
      Merk: Avhengig av målet forholdet mellom kjemisk drivstoff og MWCNT array, kan du endre konsentrasjonen og mengden av det natriumazid løsning.
    4. Måle massen til et individ hybrid sammensatt av brensel og MWCNTs med en mikrovekt, og sammenligner den endelige masse til å beregne masseforhold avdrivstoff lag og MWCNTs.
      Ligning 1
      hvor M t og M m er massen av den individuelle hybrid kompositt og individuell MWCNT film, henholdsvis.
    5. Bekreft justert strukturer av hybrid kompositt av drivstoff og MWCNTs av SEM (figur 5A). Ifølge produsentens instruksjoner, senke trykket for driftsbetingelser, og øke forstørrelsen til kjemisk drivstoff aggregering er klart observert i justert MWCNT skogen. Sjekk formen på drivstoff aggregering på MWCNTs.

3. Produksjon av Thermopower Wave Generator (figur 2)

  1. Fest kobberbånd til begge ender av en glassplate for å virke som elektroder for forbindelse med et oscilloskop, som måler den direkte utgangsspenningen fra thermopower bølge.
  2. Koble kobberbånd til begge ender av hybrid kompositt via en sølv paste dråpe. La prøven inntil sølv lim blir hard og tilkoblingen er fast.
  3. Bruke et multimeter for å måle den elektriske motstanden i den hybride kompositt.

4. Måling av Thermopower Waves (figur 3)

  1. Inne i en polykarbonat kammer, fikse thermopower bølgegenerator på den optiske bordet med klemmer for sikkerhet.
  2. Bruk krokodilleklemmer for å koble kobberelektroder til oscilloskop for måling av utgangsspenning.
  3. Sett opp en høyhastighetsmikros system [komponenter: en høyhastighetskamera (> 5000 bilder / sek), makroobjektiv (105 mm / f2.8 objektiv), og en LED-lampe] for å spille inn forbrenning forplantning fra generatoren. Plasser og slå på LED-lampe for klare opptak med høy oppløsning foran thermopower bølgegenerator. Still opptakshastighet over 5000 bilder / sek.
  4. Legg inn en optisk pyrometer på en bestemt posisjon for å registrere sanntid endringer i temperaturav hybrid kompositt.
  5. Gjelder enten laser bestråling eller Joule oppvarming å tenne kjemisk drivstoff i hybrid kompositt.
    1. Fokusere lasers (<1,000 mW) i en bestemt posisjon på den hybrid-kompositt. Opprettholde fokus for noen sekunder til forbrenning er initiert i thermopower bølgegenerator.
    2. Forberede en høy strøm strømforsyning og et nikkel-krom wire. Kobler ledningen til en høy strømkraftforsyning (driftsbetingelser: 5 V og 3 A), og oppvarme en nikkeltråd. Gjør skånsom kontakt mellom oppvarmede nikkel wire og kjemisk drivstoff på hybrid kompositt til forbrenning er initiert i thermopower bølgegenerator.
  6. Slå på måleoppsettet, som består av et høyhastighets-mikros system, et oscilloskop, og et optisk pyrometer, når en thermopower bølge er lansert av generatoren.
    1. Oppsett innspillingen bildefrekvens (5000 bilder / sek) i høyhastighetskamera. Trigger opptak ved starten av thermopower bølgeutbredelse. Rekordøyeblikksbilder i høy hastighet fotografiske bilder med høy hastighet mikros system, og trekke ut antall registrerte rammer fra start til slutt av thermopower bølgeutbredelse (total #number rammer).
    2. Registrere spenningssignalet fra start til slutt av thermopower bølgeforplantning ved bruk av oscilloskopet. Ekstraher den utgangsspenningspuls (V).
    3. Fokusere optisk pyrometer ved den bestemte posisjon på en hybrid kompositt, noe som indikerer målområder, og måle dynamiske endringer i temperatur (° C).
  7. Beregne hastigheten av reaksjons forplantning ved å ekstrahere reaksjons fremre stilling ved enkelte rammer i høy hastighet mikros system.
    Ligning 2
    hvor, l h er den totale lengde av den hybride kompositt, er n f antall registrerte rammer fra start til slutt av thermopower bølgeforplantning, og n o </ Sub> er billedfrekvensen.
  8. Ekstraher utgangsspenningen data fra oscilloskop og beregne den maksimale toppspenning, så vel som den spesifikke energi fra utgangsspenningspuls. Bruke den elektriske motstand som ble målt i trinn 3.
  9. Pakk temperaturendringen ved hjelp av den optiske pyrometer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den innrettet MWCNT matrise, som et kjernemateriale for nanostrukturerte thermopower bølger, ble syntetisert ved TCVD, 11 til 13 som vist i figur 4A. Diameteren så dyrket MWCNTs er 20-30 nm (figur 4B). Den innrettet hybrid kompositt av pikrinsyre / natriumazid / MWCNTs er vist i figur 5A. Denne kompositt ble syntetisert ved våtimpregnering prosessen, 14 slik som beskrevet i protokollen delen. For å danne et grensesnitt mellom kjemisk drivstoff og MWCNTs, pikrinsyre ble oppløst i acetonitril (en lav overflateenergi løsningsmiddel), for å tillate gjennomtrengning inn i MWCNT array. Videre ble, mens natriumazid oppløst i DI vann for å danne et tynt belegg som letter tenningen. Den kjemiske drivstoff var sammensatt av to kjemikalier: den viktigste kjemiske drivstoff var pikrinsyre med en høy entalpi av forbrennings (2570 kJ / mol), mens natriumazid ble anvendt som brennstoff for den første reaksjonen på grunn av sin lave aktivergsanordningione-energi (40 kJ / mol). 5 Videre har blandingen av pikrinsyre / natriumazid dannet en endimensjonal struktur som forsterket forbrenningen, som vist i figur 5B. 15 Etter fremstillingen av thermopower bølgegeneratoren, high-speed mikros system registrert forbrenning forplantning (figur 6). Joule-oppvarming antent forbrenningen, og det ble raskt omdannet som en selv-kjemisk reaksjon som forplanter seg langs den linje retning MWCNTs (figur 6a og 6b). Samtidig samtidig elektrisk energi-omdannelse som en utgangsspennings ble oppnådd ved anvendelse av det synkroniserte oscilloskop (figur 7). Nikkel-kromtråd som anvendes for antennelse bare kontaktet brenselforbindelse på hybrid-kompositt, og det var ingen forstyrrelse fra den eksterne elektriske signal. Som et kontrolleksperiment, ble kjemisk forbrenning uten å bruke MWCNT matrise undersøkt via sa-meg prosedyrer. Det ble bekreftet at det ikke var noen bestemt retning for forbrenning. Videre elektrisk energiproduksjon ble ikke observert når MWCNT matrisen ikke ble brukt.

Figur 1
Figur 1. Syntese av hybrid kompositter av kjemisk drivstoff og MWCNTs. (A) TCVD satt opp. (B) Scheme av en frittstående MWCNT film. (C) Scheme av hybrid kompositter, syntetisert av våtimpregnering prosess. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Produksjon av thermopower bølgegenerator prøven. Skyv glass og sølv lim-kobber tape eranvendes som et substrat og tilkoblingsnode, respektivt. Hybrid sammensetninger av drivstoff lag og kjerne materialer er brukt som thermopower bølgekilder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Eksperimentell måling satt opp for thermopower bølger. (A) Scheme av synkronisert eksperimentell satt opp, som viser lade bevegelser via thermopower bølger. (B) Fast eksperimentelle oppsettet i en polykarbonat kammer, som består av en høyhastighets mikros system, et oscilloskop, et optisk pyrometer, og en tenningssystem. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 4. Utvidet MWCNTs. (A) SEM bilde av en MWCNT rekke syntetisert av TCVD. (B) TEM bilde av en individuell MWCNT. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Utvidet hybrid kompositter med kjemisk brennstoff og MWCNT matrise. SEM bilder av (A) detaljerte konstruksjoner av pikrinsyre / natriumazid / MWCNT kompositt, og (B) én-dimensjonale aggregering av pikrinsyre / natriumazid etter fordampning av løsemiddelet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av t hans skikkelse.

Figur 6
Figur 6. Termisk bølgeutbredelse via thermopower bølger, målt ved hjelp av høyhastighetsmikros system (5000 bilder / sek). Snapshots av forbrennings forplantning ledsaget av elektrisk energi generasjon i (A) enkelt polaritet og (B) uordnede polaritet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Elektrisk energiproduksjon fra thermopower bølger. Utgangsspenninger i (A) single polaritet, og (B) uordnede polaritet.e.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Skjema av strukturelle endringer i kjemisk drivstoff blandinger av pikrinsyre / natriumazid. (A, B) Kjemiske strukturer av pikrinsyre / natriumazid og natrium-2,4,6-trinitrophenolate / hydrogen azid etter utveksling av Na + og H + . (C) Skjematisk av kjemisk struktur av 2,4,6-trinitrophenolate / hydrogen tinnazid bestilt, endimensjonal struktur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Thermopower bølger i en enkelt polaritet Thermopower bølger i en uordnet polaritet
Utgangsspenning Drivstoff / MWCNT ratio Strøm (kW / kg) Utgangsspenning Drivstoff / MWCNT ratio Strøm (kW / kg)
(MV) (MV)
1062 4.19 417,72 35 36.59 0.11
926 4.19 30.57 37 36.59 0.027
1980 4.19 143,6 30 36.59 0,016

Tabell 1. Sammendrag av utgangsspenning, drivstoff / MWCNT masseforhold og spesifikke effekten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Protokoller av thermopower bølge eksperimenter bære kritiske trinn som muliggjør ideell varmebølgeutbredelse samt elektrisk energi generasjon. Først den spesifikke posisjon for tenning og den tilsvarende reaksjons overføring er betydelige faktorer for å kontrollere energiomforming fra thermopower bølger. Tenning ved en ende av den hybride kompositt lansert styrt forbrenning langs grenseflatene mellom kjernematerialer og kjemiske brennstoffer i en retning. Men tenning på noen annen stilling generert toveis thermopower bølger som ble overført til begge ender, noe som resulterer i kansellering av ladningsbærere i motsatte retninger samt uordnede termisk transport inne kjernematerialer. Som vist i figur 7A, tenning ved en ende produsert elektrisk energi fra én polaritet; imidlertid tenning på midtstilling resulterte i to retninger forbrenning forplantning, og uordnede polaritet i utgangs voltalder (Figur 7B). Videre enkelt polaritet i thermopower bølger resulterte i en maksimal utgangsspenning som var mer enn fem ganger i tilfelle av uordnede polaritet på grunn av den akselererte ladningsoverføring av kontinuerlige termiske bølger uten sletting av kostnader.

Masseforholdet mellom kjemisk brennstoff og kjerne mikro / nanomaterialer kan bestemme de samlede egenskapene til thermopower bølger. 16,17 Som nevnt, er masseforholdet en styrbar faktor på grunn av den varierende konsentrasjon og mengden av løsning som brukes. I denne studien ble riktige grenseflateområder mellom kjemisk drivstoff og kjernematerialet fremmes en stabil kjedereaksjon langs grenseflaten og gitt kontrollert forbrenning formering, noe som resulterer i effektiv energioverføring (figur 6A). Tvert imot, er det vanskelig å opprettholde en stabil kjedereaksjon med for mye kjemisk brennstoff. I tilfelle av thermopower bølger, kjernematerialet med høyvarmeledningsevne forsyner forvarming varmeenergi til den kjemiske drivstoffet i grenseflateområder, og fremmer forbrenningen av nabo brennstoff ved å overvinne aktiveringsenergien langs grenseflaten. Når imidlertid overflødig kjemisk brennstoff anvendes, uavhengig av den termiske transporten langs kjernematerialer, kjemisk brennstoff som er langt fra kjernematerialet kan antennes på grunn av tilfeldig forplanter reaksjonen inne i kjemisk brennstoff i stedet styrt-kjedereaksjon hos grensesnittet (Figur 6B). Dette resulterer i forbrenning i flere retninger samt uordnede polaritet. De eksperimentelle resultater som sammenligner de optimale masseforhold og høy kjemisk proporsjoner brensel er oppsummert i tabell 1. Et optimalt masseforhold på 4,19 produsert over 1000 mV, mens en overdreven masseforhold på 36,59 genereres bare omtrent 35 mV.

Videre kan spesifikke modifisering av den kjemiske drivstoffsammensetning ytterligere enhance energikonvertering i thermopower bølge. I utgangspunktet, den kjemiske drivstoff sammensetning og masseforhold i hybrid kompositter har en sterk innflytelse på forbrenning forplantning, samt elektrisk energiproduksjon fra thermopower bølger. For det første kan en-dimensjonale aggregeringer av brenselblandinger inne MWCNTs realiseres ved en spesiell kombinasjon av et primært brennstoff og natriumazid (figur 5). For eksempel, det var ingen innrettet aggregering av brenselblandinger picramide og natriumazid. Imidlertid, når pikrinsyre og natriumazid ble blandet og inndampet under den våte impregneringsprosessen, ble en ny struktur av et kjemisk brennstoff som fremmet styrt kjemisk reaksjon syntetisert, som vist i figur 8. I pikrinsyre og natriumazid blanding, H + ion i pikrinsyre ble utvekslet med Na + ion i natriumazid, danner 2,4,6-trinitro natrium- fenoksyd og hydrogen azid (H-N 3) i brennstofflaget (Figure 8A og 8B). 18 Samtidig, stabling, som er indusert av van der Waals krefter mellom benzenringene, konstrueres en-dimensjonalt aggregerte strukturer, med former tilsvarende en sylinder 19,14 (figur 8C). Det ble bekreftet at som følge av den negative entalpi for dannelse av den nye kjemiske forbindelse, og de ​​endimensjonalt innrettede strukturer av de kjemiske brennstoffer, er utgangsspenningen generering og forbrenningshastigheten fra thermopower bølger ble dramatisk forsterket med over 10 ganger. 20

Thermopower bølger kan gi en forståelse av kjemisk-termisk-elektrisk energiomforming i mikro / nanostrukturerte materialer. Så langt er de fleste av forskningsinnsatsen på forbrenning i mikro / nanostrukturerte materialer har fokusert på konvertering fra kjemisk til termisk energi, eller fra kjemisk til mekanisk energi; noen eksempler på disse enhetene inkluderer nanothermites ogmicroactuators. Thermopower bølger kan utvide forståelsen av energikonverter med behandlingen av dynamisk elektrisk energi generasjon. Videre thermopower bølger har bred potensielle bruksområder. Som vist i tabell 1, er strømtettheten for thermopower bølger i en hybrid kompositt ganske imponerende sammenlignet med andre konvensjonelle metoder. Således kan thermopower bølger benyttes som en høyeffekts energikilde for miniatyriserte enheter. Videre, siden thermopower bølger er i stand til å konvertere direkte både spillvarme og drivstoff til elektrisk energi, det kan utvikles som en ny type avfall energigjenvinningssystemet. Videre kan varmebølgeforplantning i grenseflaten mellom den kjemiske drivstoff og mikro / nanostrukturerte materialer anvendes for faste materialer syntese via forbrenning. Det er imidlertid en begrensning for å overvinne. For tiden, thermopower bølger bare produsere en pulset utgang av elektrisk energi på grunn av forbrenning. Derfor er en fremgangsmåte for energihøstingutgangspulsen energi fra thermopower bølger kan være nødvendig i fremtiden. Utviklingen av et bestemt system som gjentatte ganger leverer en kjemisk drivstoff til kjernematerialer kan være nyttig for programmer som bruker thermopower bølger.

I sammendrag er det beskrevet metoder for å syntetisere et hybrid-kompositt av en kjemisk brennstoff og mikro / nanomaterialer og å fremstille et thermopower bølgegenerator. Den eksperimentelle oppsett for studiet av thermopower bølger har blitt forklart i detalj. Videre viktige strategier for å bli vedtatt for ytterligere forbedring av thermopower bølger har blitt demonstrert sammen med eksperimentelle data. Vi forventer at dette arbeidet vil bidra til forskning områder knyttet til thermopower bølger, samt til utvikling av fremtidige søknader utnytte kjemisk-termisk-elektrisk energi konvertering inne mikro / nanomaterialer i forbrenning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Basic Science Research Program gjennom National Research Foundation of Korea (NRF), finansiert av departementet for utdanning, vitenskap og teknologi (NRF-2013R1A1A1010575), og av Nano FoU-program gjennom Korea Science and Engineering Foundation finansiert av departementet for utdanning, vitenskap og teknologi (NRF-2012M3A7B4049863).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
Forberedelse og evaluering av Hybrid Composites av Chemical Fuel og Multi-vegger karbonnanorør i Study of Thermopower Waves
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hwang, H., Yeo, T., Cho, Y., Shin, D., Choi, W. Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves. J. Vis. Exp. (98), e52818, doi:10.3791/52818 (2015).More

Hwang, H., Yeo, T., Cho, Y., Shin, D., Choi, W. Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves. J. Vis. Exp. (98), e52818, doi:10.3791/52818 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter