Abstract
عندما أشعل وقود الكيميائية في موقف معين في مركب هجين من الوقود والمواد / ذات البنية النانومترية الدقيقة، يحدث الاحتراق الكيميائية على طول واجهة بين الوقود ومواد الأساسية. في وقت واحد، والتغيرات الديناميكية في إمكانات الحرارية والكيميائية عبر المواد متناهية الصغر / ذات البنية النانومترية تؤدي إلى توليد الطاقة الكهربائية يصاحب ذلك الناجم عن نقل المسؤول في شكل الجهد نبض عالية الانتاج. ونحن لشرح الإجراء بأكمله من تجربة موجة thermopower، من تخليق للتقييم. ويعمل ترسيب الأبخرة الكيميائية الحرارية وعملية التشريب الرطب على التوالي لتركيب متعددة الجدران مجموعة أنابيب الكربون ومركب هجين من البكريك أزيد حمض / الصوديوم / الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران. وتستخدم المركبة الهجينة مستعدة لافتعال مولد موجة thermopower مع أقطاب الاتصال. يبدأ احتراق المركب الهجين عن طريق التسخين ليزر أو الجول التدفئة، وعشريتم قياس ه الموافق الاحتراق نشر، وتوليد الطاقة الكهربائية مباشرة، في الوقت الحقيقي والتغيرات في درجات الحرارة باستخدام نظام عالية السرعة المجهري، الذبذبات، والبيرومتر البصرية، على التوالي. وعلاوة على ذلك، فإن الاستراتيجيات الحاسمة التي يمكن اعتمادها في تركيب المركب الهجين والشروع في احتراقها التي تعزز نقل الكلي للطاقة موجة thermopower المقترحة.
Introduction
الوقود الكيميائي لديها كثافة الطاقة العالية جدا واستخدمت على نطاق واسع كمصدر طاقة مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات من مايكروسيستمز لmacrosystems. 1 وعلى وجه الخصوص، سعت العديد من الباحثين لاستخدام الوقود الكيميائية كمصدر الطاقة للجيل القادم الدقيقة / النانو التقنيات المستندة إلى 2 ومع ذلك، ونظرا لصعوبة في دمج مكونات تحويل الطاقة في مساحات صغيرة للغاية في الدقيقة / الأجهزة النانوية، وهناك قيود أساسية لتحويل الوقود الكيميائية إلى طاقة كهربائية. ولذلك، فقد استخدمت أساسا من احتراق الوقود الكيميائية لإنتاج الطاقة الكيميائية أو الميكانيكية في الدقيقة / الأجهزة النانوية مثل nanothermites أو المشغلات. 1،3
ومفهوم جذب موجات من Thermopower تحويل الطاقة ضعت حديثا اهتماما كبيرا كأسلوب لتحويل الطاقة الكيميائية من الوقود مباشرة إلى الشم الكهربائيةيمكن أن تتولد RGY دون استخدام أي مكونات تحويل. 4،5 موجات Thermopower باستخدام مركب هجين من الوقود الكيميائية والمواد المتناهية الصغر / ذات البنية النانومترية. 5 عند أشعلت الوقود الكيميائية في موقف معين في مركب هجين، يحدث الاحتراق الكيميائية على طول واجهة بين الوقود الكيميائية والمواد المتناهية الصغر / ذات البنية النانومترية. في وقت واحد، والتغيرات الديناميكية في إمكانات الحرارية والكيميائية في جميع أنحاء الأساسية الصغرى / ذات البنية النانومترية نتيجة المادة في توليد الطاقة الكهربائية يصاحب ذلك الناجم عن نقل المسؤول في شكل الجهد نبض عالية الانتاج. وقد ثبت أن المواد المتنوعة الصغرى / ذات البنية النانومترية مثل الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) 4-6 وأكسيد الزنك، 7 بي 2 تي 3، 8 بينالي الشارقة 2 تي 3 و 9 و MNO 2 10 المواد متناهية الصغر / ذات البنية النانومترية تسمح المركبة الهجينة للاستفادة من موجات thermopower وإظهار الكيميائية الحرارية الكهربيتحويل الطاقة كال. على وجه التحديد، والمواد الأساسية مع طاقة كهروحرارية عالية تمكن جيل من الفولتية عالية الانتاج فقط من الاحتراق نشر. ومع ذلك، المعلمات الأخرى المتعلقة المركبة متطابقة، مثل خليط من الوقود الكيميائية، ونسبة كتلة الوقود / مواد الأساسية، وعملية التصنيع، وظروف الاشتعال تؤثر بشكل حاسم خصائص العامة للموجات thermopower.
هنا، وتبين لنا كيف أن عمليات التصنيع، وتشكيل وقود الكيميائية الانحياز، ونسبة الكتلة للمواد / الأساسية الوقود تؤثر على الأداء موجة thermopower. على أساس مجموعة MWCNT ملفقة من قبل الحراري ترسيب الأبخرة الكيميائية (TCVD)، وتبين لنا كيف يتم إعداد مركب هجين من الوقود الكيميائية وMWCNTs لتوليد الطاقة موجة thermopower. هو عرض تصميم الإعداد التجريبية التي تمكن من تقييم تحويل الطاقة جنبا إلى جنب مع القياسات التجريبية المقابلة لعمليات مثل propagati الاحتراقعلى وتوليد الطاقة الكهربائية المباشرة. وعلاوة على ذلك، علينا أن نبرهن على قطبية التوزيع وصفها من قبل الجهد الناتج دينامية وذروة معينة يحدد السلطة كما نجح في تحويل الطاقة الكهربائية. وهذه الدراسة توفر استراتيجيات محددة لتعزيز توليد الطاقة، وسوف تساعد في فهم الفيزياء الكامنة وراء موجات thermopower. وعلاوة على ذلك، فإن عملية التصنيع والتجارب وصفها هنا تساعد في توسيع فرص البحث على موجات thermopower، فضلا عن تحويل الطاقة الكيميائية الحرارية الكهربائية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. توليف عموديا الانحياز متعدد الجدران أنابيب الكربون النانوية (VAMWCNTs)
- إعداد رقاقة وترسب طبقات محفز
- إعداد من نوع ن (100) سي الرقاقة.
- إيداع 250 نانومتر سميكة طبقة شافي 2 على سي الرقاقة عن طريق الأكسدة الحرارية أو طرق بديلة مثل الاخرق. ضخ 200 SCCM من O 2 لمدة 3 ساعة 20 دقيقة في 1،000 درجة مئوية في الفرن الأفقي.
- استخدام الجزء الأكبر آل 2 O 3 (99.9٪)، ومتعدد تفل (RF السلطة: 1،000 W) المصدر وإيداع 10 نانومتر سميكة آل 2 O 3 (99.9٪) طبقة على طبقة شافي 2. استخدام معدل الترسيب بطيئة من 10 نانومتر / دقيقة مع ضغط ترسب 2 × 10 -2 م بار.
- استخدام الجزء الأكبر الحديد (99.9٪) كمصدر من خلال توظيف جهاز تبخير شعاع E، وإيداع طبقة الحديد 1 نانومتر سميكة على طبقة آل 2 O 3. استخدام معدل ترسب بطء ~ 0.1 نانومتر / ثانية مع ضغط ترسب 5 × 10 -6 عربة. قطع الحديد / آل 2 O 3 / شافي 2 / سي ويفر إلى 28 مم × 15 مم حجم باستخدام الناسخ الماس.
ملاحظة: اعتمادا على حجم مرغوب فيه من مجموعة VAMWCNT، حجم الحديد / آل 2 O 3 / شافي 2 / سي رقاقة يمكن أن تختلف.
- توليف مجموعة MWCNT التي كتبها TCVD وإعداد الغابات MWCNT قائمة بذاتها.
- وضع الحديد / آل 2 O 3 / شافي 2 / سي رقاقة مركزيا في قارب الكوارتز التي لديها أبعاد 120 ملم × 30 ملم.
- وضع القارب الكوارتز داخل 2 بوصة الكوارتز أنبوب من الإعداد TCVD (الشكل 1A).
- ضخ 900 SCCM من الغاز عار لمدة 10 دقيقة في ظل الظروف المحيطة لإزالة الهواء وملء 2 بوصة الكوارتز أنبوب مع هارون.
- ضخ 600 SCCM من الغاز هارون و 400 SCCM من H 2 الغاز مع زيادة درجة الحرارة في الفرن من 25 درجة مئوية إلى 750 درجة مئوية في 30 دقيقة.
- ضخ 100 SCCM من الغاز هارون و 400 SCCM من H 2 الجا الصورة في 750 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة لصياغة النانوية الحديد كما جذور MWCNTs.
- ضخ 100 SCCM من الغاز AR، 368 SCCM من H 2 الغاز، و 147 SCCM من الاثيلين (C 2 H 4) الغاز في 750 درجة مئوية لمدة 280 دقيقة. في وقت واحد، وتطبيق التدفئة الجول عند مدخل أنبوب الكوارتز التي كتبها خيوط التنغستن (الجهد: 0.8 V، الحالي: 15 A) لتعزيز التحلل من C 2 H 4 الغاز ليكون بمثابة مصدر الكربون. وترد هذه المصادر الكربون النانوية إلى الحديد على رقائق سي وتحويلها إلى الأنابيب النانوية الكربونية.
- وقف ضخ الغاز وH 2 C 2 H 4 الغاز، وإيقاف الفرن. خلال هذا الإجراء، وضخ مستمر 100 SCCM من الغاز عار حتى تنخفض درجة الحرارة من رقاقة أقل من 60 درجة مئوية.
- إخراج MWCNTs على الرقاقة. فصل بلطف مجموعة MWCNT من الرقاقة للحصول قائمة بذاتها الغابات MWCNT (طول: 3-6 مم) (الشكل 1B).
> 2. تخليق مركب هجين من الوقود الكيميائية وMWCNT أفلام
- إعداد الوقود الكيميائية
- إعداد حمض البكريك (2،4،6-trinitro الفينول) حل والصوديوم أزيد (نان 3).
- تتبخر الحل حمض البكريك للحصول على مسحوق حامض البكريك (1 أجهزة الصراف الآلي، 25 ° C، لمدة 24 ساعة). قياس 6 غرام من مسحوق حامض البكريك وتذوب في 100 مل من الأسيتونيتريل (262 ملم).
- قياس 6 غرام من مسحوق أزيد الصوديوم وتذوب في 100 مل من منزوع الأيونات (DI) المياه (923 ملم).
- إعداد حمض البكريك (2،4،6-trinitro الفينول) حل والصوديوم أزيد (نان 3).
- توليف وتوصيف المواد المركبة الهجينة عبر التشريب الرطب
- قياس كتلة غابة MWCNT الفردية مع توازن دقيق والتأكد من الهياكل الانحياز الغابة MWCNT بواسطة SEM (الشكل 4A). استخدام التيار الكهربائي من 15 كيلو فولت والتكبير من 1،200X. تحقق ما إذا كان يتم الحفاظ على هيكل الانحياز عبر الغابة MWCNT بأكملها.
- إضافة 25 ميكرولتر من 262 ملي حل حمض البكريك على رالمرجع الغابة MWCNT للسماح للالوقود لاختراق مسام الغابة. ترك العينة كما هو لمدة 30 دقيقة إلى تقليص مجموعة الفيلم، والسماح للحمض البكريك لاختراق تماما المسام حتى يتبخر كل الأسيتونتريل من الغابة (الشكل 1C).
ملاحظة: اعتمادا على النسبة المستهدفة بين الوقود الكيميائية ومجموعة MWCNT، تعديل تركيز وكمية من محلول حمض البكريك. - تزج المغلفة حمض البكريك الغابات MWCNT في 25 ميكرولتر من 923 ملي حل أزيد الصوديوم لتشكيل 2،4،6-trinitro فينولات الصوديوم وأزيد الهيدروجين (طبقة الوقود) من خلال التشريب الرطب. ترك العينة لمدة 30 دقيقة حتى تتبخر جميع المذيبات.
ملاحظة: اعتمادا على النسبة المستهدفة بين الوقود الكيميائية ومجموعة MWCNT، يمكنك تعديل تركيز وكمية من الحل أزيد الصوديوم. - قياس كتلة من مركب هجين فردي من الوقود وMWCNTs مع توازن دقيق، وقارن كتلة النهائية لحساب نسبة كتلةطبقة الوقود وMWCNTs.
حيث M ح M و M هي كتلة من مركب هجين فردي وفيلم MWCNT الفردي، على التوالي. - تأكيد هياكل الانحياز للمركب هجين من الوقود وMWCNTs بواسطة SEM (الشكل 5A). وفقا لتعليمات الشركة الصانعة، وانخفاض الضغط لظروف التشغيل، وزيادة التكبير حتى لوحظ تجميع الوقود الكيميائي بشكل واضح في الغابة MWCNT الانحياز. التحقق من الشكل التجميع الوقود على MWCNTs.
3. تصنيع Thermopower موجة مولد (الشكل 2)
- إرفاق أشرطة النحاس لكلا طرفي شريحة زجاجية لتكون بمثابة أقطاب للاتصال مع الذبذبات، والذي يقيس انتاج التيار الكهربائي مباشرة من موجة thermopower.
- ربط شرائط النحاس لكلا طرفي المركب الهجين من خلال نظام تقييم الأداء الفضةالشركة المصرية للاتصالات الحبرية. ترك العينة حتى يصبح عجينة الفضة الجاد ويتم إصلاح الاتصال.
- استخدام المتعدد لقياس المقاومة الكهربائية للمركب هجين.
4. قياس موجات Thermopower (الشكل 3)
- داخل غرفة البولي، إصلاح مولد موجة thermopower على الطاولة البصرية مع المشابك للسلامة.
- استخدام مقاطع التمساح لتوصيل أقطاب النحاس إلى الذبذبات لقياس انتاج التيار الكهربائي.
- اقامة نظام المجهر عالية السرعة [مكونات: كاميرا عالية السرعة (> 5،000 إطارات / ثانية)، عدسة الماكرو (105 ملم / عدسة F2.8)، ومصباح LED] لتسجيل انتشار الاحتراق من المولد. وضع وتشغيل مصباح LED للتسجيل واضح مع صور عالية الدقة أمام مولد موجة thermopower. ضبط سرعة تسجيل أكثر من 5،000 لقطة / ثانية.
- وضع البيرومتر البصرية في موقف معين لتسجيل التغييرات في الوقت الحقيقي في درجة الحرارةمن مركب هجين.
- تطبيق إما أشعة الليزر أو التدفئة الجول لإشعال الوقود كيميائية في مركب هجين.
- تركيز الليزر (<1،000 ميغاواط) في موقف معين على مركب هجين. الحفاظ على التركيز لبضع ثوان حتى يبدأ الاحتراق في مولد موجة thermopower.
- إعداد امدادات الطاقة العالية الحالية، وسلك النيكل والكروم. قم بتوصيل سلك إلى العرض العالية الحالية الطاقة (ظروف التشغيل: 5 V و 3 A)، وتسخين سلك النيكل. اجراء اتصالات لطيف بين الأسلاك والنيكل والتدفئة والوقود الكيميائي على مركب هجين حتى يبدأ الاحتراق في مولد موجة thermopower.
- بدوره على الإعداد القياس، وتتألف من نظام عالية السرعة المجهري، الذبذبات، والبيرومتر البصرية، عندما أطلقت موجة thermopower التي كتبها المولد.
- الإعداد معدل الإطار تسجيل (5،000 إطارات / ثانية) في الكاميرا عالية السرعة. تسجيل الزناد في بداية thermopoور موجة الانتشار. لقطات قياسيا في سرعة عالية الصور الفوتوغرافية مع نظام المجهر عالية السرعة، واستخراج عدد من إطارات المسجلة من البداية الى النهاية من انتشار الموجات thermopower (#NUMBER مجموعه إطارات).
- تسجيل إشارة الجهد من البداية الى النهاية من انتشار الموجات thermopower باستخدام الذبذبات. استخراج النبض الناتج الجهد (V).
- تركيز البيرومتر البصرية في موقف معين على مركب هجين، مما يدل على المناطق المستهدفة، وقياس التغيرات الدينامية في درجات الحرارة (° C).
- حساب سرعة انتشار رد فعل عن طريق استخراج موقف الجبهة رد فعل في الأطر الفردية في نظام المجهر عالية السرعة.
حيث، ل ح هو الطول الكلي للمركب هجين، ن و هو عدد الإطارات المسجلة من البداية الى النهاية من انتشار الموجات thermopower، ون س </ الفرعية> هو معدل الإطار تسجيل. - استخراج البيانات انتاج التيار الكهربائي من الذبذبات وحساب أقصى الجهد الذروة فضلا عن قوة معينة من نبض انتاج التيار الكهربائي. استخدام المقاومة الكهربائية التي تم قياسها في الخطوة 3.
- استخراج التغير في درجة الحرارة باستخدام البيرومتر البصرية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
مجموعة MWCNT الانحياز، كمادة ذات البنية النانومترية الأساسية للموجات thermopower، تم تصنيعه من قبل TCVD، 11-13 كما هو مبين في الشكل 4A. قطر MWCNTs كما نمت هو 20-30 نانومتر (الشكل 4B). يظهر مركب هجين الانحياز للحمض البكريك / الصوديوم أزيد / MWCNTs في الشكل 5A. تم تصنيعه هذا المركب بواسطة عملية التشريب الرطب، 14 كما هو موضح في قسم البروتوكول. من أجل تشكيل واجهة بين الوقود الكيميائية وMWCNTs، تم حل حمض البكريك في الأسيتونتريل (مذيب منخفضة السطح للطاقة)، للسماح للتغلغل داخل مجموعة MWCNT. وعلاوة على ذلك، تم حله في حين أزيد الصوديوم في المياه DI لتشكيل طبقة رقيقة لسهولة الاشتعال. كان يتألف الوقود الكيميائي لاثنين من المواد الكيميائية: كان الوقود الكيميائي الرئيسي حمض البكريك مع المحتوى الحراري عالية من الاحتراق (2،570 كيلو جول / مول)، في حين كان يستخدم أزيد الصوديوم كوقود للرد الفعل الأولي بسبب activat المنخفضالطاقة أيون (40 كيلو جول / مول). 5 وعلاوة على ذلك، وخليط من حمض البكريك / أزيد الصوديوم تشكيل هيكل أحادي البعد أن تضخيم الاحتراق، كما هو مبين في الشكل 5B. 15 وبعد تصنيع مولد موجة thermopower، عالية السرعة نظام المجهري سجلت نشر الاحتراق (الشكل 6). أشعلت الجول التدفئة الاحتراق، وتحولت بسرعة على أنها تفاعل كيميائي-نشر الذاتي على طول اتجاه الانحياز من MWCNTs (الشكل 6A و 6B). في وقت واحد، كما هو تحويل ناتج-تم الحصول عليها الجهد يصاحب ذلك الطاقة الكهربائية باستخدام الذبذبات متزامنة (الشكل 7). سلك النيكل والكروم المستخدمة في الاشتعال الاتصال فقط مجمع الوقود على مركب هجين، وكان هناك أي اضطراب من الإشارة الكهربائية الخارجية. كتجربة السيطرة، تم التحقيق الاحتراق الكيميائية دون استخدام مجموعة MWCNT عبر سالي الإجراءات. تم التأكيد على أنه لا يوجد اتجاه واضح للاحتراق. وعلاوة على ذلك، لم يكن لوحظ توليد الطاقة الكهربائية عندما لم يستخدم مجموعة MWCNT.
الشكل 1. التجميعي من المواد المركبة الهجينة من الوقود الكيميائي وMWCNTs. (أ) وضع TCVD تصل. (ب) مخطط فيلم MWCNT قائمة بذاتها. (ج) مخطط المركبة الهجينة، توليفها من قبل عملية التشريب الرطب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. التصنيع من عينة مولد موجة thermopower. شريحة زجاجية والفضة والنحاس الشريط معجون هم تستخدم باعتبارها الركيزة وربط عقدة، على التوالي. وتستخدم مركبات الهجينة من طبقات الوقود والمواد الأساسية كمصادر موجة thermopower. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
تعيين الشكل 3. قياس التجريبي لتصل موجات thermopower. (A) مخطط التجريبية تزامن إعداد، تظهر حركات تهمة عبر موجات thermopower. (B) الإعداد التجريبية ريال مدريد في غرفة البولي، ويتألف من نظام المجهر عالية السرعة، والذبذبات، وهو البيرومتر البصرية، ونظام الإشعال. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
: المحافظة على together.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 4. تمديد MWCNTs. (A) SEM صورة مجموعة MWCNT توليفها من قبل TCVD. صورة (B) TEM من MWCNT الفردية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5. المركبة الهجينة الموسعة من الوقود الكيميائي ومجموعة MWCNT. الصور SEM من (A) الهياكل التفصيلية للحمض البكريك / الصوديوم أزيد / مركب MWCNT، و (ب) تجميع الأبعاد واحد من حمض البكريك / أزيد الصوديوم بعد تبخر المذيبات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من ر الرقم له.
الشكل 6. الحراري الموجات عبر موجات thermopower، قياسها باستخدام نظام عالية السرعة المجهري (5،000 إطارات / ثانية). لقطات انتشار الاحتراق يرافقه توليد الطاقة الكهربائية في (A) قطبية واحدة و (ب) قطبية المختلين. الرجاء النقر هنا ل عرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 7. توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة من موجات thermopower. الفولتية الناتج في (A) قطبية واحدة، و (ب) قطبية المختلين.e.jpg من "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8. مخطط التغييرات الهيكلية في خليط الوقود الكيميائية للحمض البكريك / أزيد الصوديوم. (A، B) البنى الكيميائية للحمض البكريك / أزيد الصوديوم والصوديوم 2،4،6-trinitrophenolate أزيد / الهيدروجين بعد تبادل نا + H + و . (C) تخطيطي من التركيب الكيميائي ل2،4،6-trinitrophenolate أزيد / الهيدروجين في أمر، هيكل أحادي البعد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
| موجات Thermopower في قطبية واحدة | موجات Thermopower في قطبية المختلين | ||||
| انتاج التيار الكهربائي | الوقود / نسبة MWCNT | الطاقة (كيلو واط / كجم) | انتاج التيار الكهربائي | الوقود / نسبة MWCNT | الطاقة (كيلو واط / كجم) |
| (بالسيارات) | (بالسيارات) | ||||
| 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 |
الجدول 1. ملخص انتاج التيار الكهربائي والوقود / نسبة كتلة MWCNT والقوة محددة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
بروتوكولات thermopower التجارب موجة تشمل الخطوات الحاسمة التي تمكن المثالي انتشار الموجات الحرارية فضلا عن توليد الطاقة الكهربائية. أولا، موقف محدد من الاشتعال ونقل رد فعل مماثل عوامل كبيرة في السيطرة على تحويل الطاقة من موجات thermopower. اشتعال في واحدة من نهاية مركب هجين أطلقت تسترشد الاحتراق على طول واجهات بين المواد الأساسية والوقود الكيميائية في اتجاه واحد. ومع ذلك، اشتعال في أي منصب آخر تتولد موجات thermopower ثنائية الاتجاه التي نقلت إلى كلا الطرفين، مما أدى إلى إلغاء حاملات الشحنة في اتجاهين متعاكسين، وكذلك الانتقال الحراري المختلين داخل المواد الأساسية. كما هو مبين في الشكل 7A، الإشعال في نهاية واحدة تنتج الطاقة الكهربائية من قطبية واحد؛ ومع ذلك، أدى اشتعال في موقف وسط في نشر الاحتراق الاتجاه اثنين، وقطبية المختلين في الانتاج فولتسن (الشكل 7B). وعلاوة على ذلك، أدى قطبية واحدة في موجات thermopower في ذروة انتاج التيار الكهربائي الذي كان أكثر من خمسة أضعاف في حالة الاستقطاب المختلين نظرا لتسارع نقل المسؤول عن طريق الموجات الحرارية مستمرة دون إلغاء الرسوم.
نسبة الكتلة بين الوقود الكيميائية والأساسية الصغرى / يمكن تحديد خصائص المواد النانوية العامة للموجات thermopower. 16،17 كما ذكر، نسبة الجماعية هي عامل السيطرة عليها نظرا لتركيز متفاوتة وكمية من محلول المستخدمة. في هذه الدراسة، والمناطق بينية المناسبة بين الوقود الكيميائية والمواد الأساسية عززت سلسلة من ردود الفعل مستقرة على طول واجهة وقدمت نشر الاحتراق التي تسيطر عليها، مما أدى إلى نقل الطاقة الفعالة (الشكل 6A). على العكس من ذلك، فإنه من الصعب للحفاظ على سلسلة من ردود الفعل مستقرة مع الكثير من الوقود الكيميائي. في حالة موجات thermopower، والمواد الأساسية مع ارتفاعالتوصيل الحراري لوازم قبل التدفئة الطاقة الحرارية للوقود الكيميائية في مجالات بينية، ويعزز من احتراق الوقود المجاورة عن طريق التغلب على طاقة التنشيط على طول الواجهة. ومع ذلك، عند استخدام الوقود الكيميائية الزائد، بغض النظر عن النقل الحراري على طول المواد الأساسية، والوقود الكيميائية التي هي بعيدة كل البعد عن المواد الأساسية يمكن أن أشعلت بسبب رد الفعل نشر عشوائيا داخل الوقود الكيميائية بدلا من الموجهة سلسلة من ردود الفعل في واجهة (الشكل 6B). وهذا يؤدي إلى الاحتراق في اتجاهات متعددة وكذلك قطبية المختلين. وتتلخص النتائج التجريبية مقارنة النسب كتلة الأمثل ونسب الوقود الكيميائية المفرطة في الجدول 1. إن نسبة الجماعية المثلى من 4.19 أنتجت أكثر من 1،000 بالسيارات، في حين أن نسبة جماهيرية كبيرة من 36.59 لدت فقط حوالي 35 بالسيارات.
وعلاوة على ذلك، يمكن تعديل محددة للتكوين وقود الكيميائية يعزز بأجهزةم تحويل الطاقة في موجة thermopower. في الأساس، وتكوين وقود الكيميائية ونسبة جماعية في المركبة الهجينة يكون لها تأثير قوي على انتشار الاحتراق، وكذلك توليد الطاقة الكهربائية من أمواج thermopower. أولا، تجمعات ذات بعد واحد من خليط الوقود داخل MWCNTs يمكن أن تتحقق من خلال مزيج خاص من الوقود الابتدائي وأزيد الصوديوم (الشكل 5). على سبيل المثال، لم يكن هناك تجميع الانحياز من خليط الوقود من picramide وأزيد الصوديوم. ومع ذلك، عندما حمض البكريك والصوديوم أزيد كانت مختلطة وتبخرت أثناء عملية التشريب الرطب، تم تصنيعه هيكل جديد من الوقود الكيميائية التي شجعت على تفاعل كيميائي الموجهة، كما هو مبين في الشكل (8). وفي البكريك حمض الصوديوم وخليط أزيد، ل وجرى تبادل H + ايون في حمض البكريك مع نا + أيون في أزيد الصوديوم، وتشكيل 2،4،6-trinitro فينولات الصوديوم وأزيد الهيدروجين (H-N 3) في طبقة الوقود (شملت رقمالبريد 8A و8B). 18 وفي الوقت نفسه، التراص، والتي يتم الناجمة عن قوى فان دير فال بين حلقات البنزين، شيدت واحد بعدي هياكل مجمعة، مع الأشكال مشابهة لاسطوانة 19،14 (الشكل 8C). تم التأكيد على أنه نظرا إلى المحتوى الحراري السلبي لتشكيل مركب كيميائي جديد واحد بعدي الهياكل الانحياز من الوقود الكيميائية، الجيل انتاج التيار الكهربائي والاحتراق سرعة من موجات thermopower تم تضخيمها بشكل كبير من قبل أكثر من 10 مرات. 20
يمكن أن الموجات Thermopower توفر فهما للتحويل الطاقة الكيميائية الحرارية الكهربائية في المواد متناهية الصغر / ذات البنية النانومترية. وحتى الآن، فإن معظم الجهود البحثية على الاحتراق في المواد متناهية الصغر / ذات البنية النانومترية قد ركزت على التحويل من المواد الكيميائية إلى طاقة حرارية، أو من المواد الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية. وتشمل بعض الأمثلة على هذه الأجهزة nanothermites والمشغلات. يمكن أن الموجات Thermopower تمديد فهم التحويلات الطاقة مع النظر في توليد الطاقة الكهربائية الديناميكية. وعلاوة على ذلك، وموجات thermopower لها تطبيقات محتملة واسعة النطاق. كما هو مبين في الجدول رقم 1، وكثافة الطاقة من الأمواج thermopower في مركب هجين ومؤثرة جدا بالمقارنة مع الطرق التقليدية الأخرى. وهكذا، وموجات thermopower يمكن استخدامها كمصدر للطاقة عالية الطاقة لأجهزة المنمنمة. وعلاوة على ذلك، منذ موجات thermopower قادرة على تحويل مباشرة على حد سواء حرارة النفايات والوقود إلى طاقة كهربائية، ويمكن وضعها كنوع جديد من نظام استعادة الطاقة من النفايات. وعلاوة على ذلك، انتشار الموجات الحرارية في واجهة بين الوقود والمواد الكيماوية الدقيقة / ذات البنية النانومترية يمكن أن تستخدم لتركيب المواد الصلبة عن طريق الاحتراق. ومع ذلك، هناك قيود واحدة للتغلب عليها. حاليا، وموجات thermopower تنتج سوى الناتج نابض الطاقة الكهربائية بسبب الاحتراق. لذلك، طريقة حصاد الطاقة لقد تكون هناك حاجة لانتاج الطاقة النبض من موجات thermopower في المستقبل. تطوير نظام محدد التي تزود مرارا وقود الكيميائية للمواد الأساسية قد تكون مفيدة للتطبيقات باستخدام موجات thermopower.
وباختصار، التي وصفناها طرق لتجميع مركب هجين من الوقود الكيميائية والصغرى / المواد متناهية الصغر، وإلى تصنيع مولد موجة thermopower. وقد أوضح الإعداد التجريبية لدراسة موجات thermopower بالتفصيل. وعلاوة على ذلك، والاستراتيجيات الحاسمة التي يمكن اعتمادها للأثبتت زيادة تعزيز موجات thermopower جنبا إلى جنب مع البيانات التجريبية. ونحن نتوقع أن هذا العمل من شأنه أن يسهم للبحث المجالات المتعلقة موجات thermopower، وكذلك في تطوير التطبيقات المستقبلية الاستفادة من تحويل الطاقة الكيميائية الحرارية الكهربائية داخل الدقيقة / النانوية في الاحتراق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل من قبل برنامج أبحاث العلوم الأساسية من خلال المؤسسة الوطنية للبحوث كوريا (جبهة الخلاص الوطني)، بتمويل من وزارة التربية والتعليم والعلوم والتكنولوجيا (جبهة الخلاص الوطني-2013R1A1A1010575)، وبرنامج نانو R & D من خلال العلوم كوريا ومؤسسة هندسة ممولة من قبل وزارة التربية والتعليم والعلوم والتكنولوجيا (جبهة الخلاص الوطني-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 |
References
- Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R. Q., Zhang, K. L. Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications. Acs Appl Mater Inter. 6, 3058-3074 (2014).
- Zhang, K., Chou, S., Ang, S., Tang, X. A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter. Sensors and Actuators A: Physical. 122, 113-123 (2005).
- Zhang, W. C., et al. Significantly Enhanced Energy Output from 3D Ordered Macroporous Structured Fe2O3/Al Nanothermite Film. Acs Appl Mater Inter. 5, 239-242 (2013).
- Choi, W., Abrahamson, J. T., Strano, J. M., Strano, M. S. Carbon nanotube-guided thermopower waves. Materials Today. 13, 22-33 (2010).
- Choi, W., et al. Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves. Nat Mater. 9, 423-429 (2010).
- Abrahamson, J. T., et al. Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources. Acs Nano. 5, 367-375 (2011).
- Walia, S., et al. ZnO based thermopower wave sources. Chem Commun. 48, 7462-7464 (2012).
- Walia, S., et al. Sb2Te3 and Bi2Te3 based thermopower wave sources. Energ Environ Sci. 4, 3558-3564 (2011).
- Hong, S., et al. Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays. J Phys Chem C. 117, 913-917 (2013).
- Walia, S., et al. MnO2-Based Thermopower Wave Sources with Exceptionally Large Output Voltages. J Phys Chem C. 117, 9137-9142 (2013).
- Aria, A. I., Gharib, M. Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays. J Vis Exp. , (2013).
- Zhao, Y., Tang, Y., Star, A. Synthesis and functionalization of nitrogen-doped carbon nanotube cups with gold nanoparticles as cork stoppers. J Vis Exp. , e50383 (2013).
- Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M., Hart, A. J. Fabrication, densification, and replica molding of 3D carbon nanotube microstructures. J Vis Exp. , (2012).
- Grimme, S. Do Special Noncovalent π–π Stacking Interactions Really Exist. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3430-3434 (2008).
- Yeo, T., et al. Effects of chemical fuel composition on energy generation from thermopower waves. Nanotechnology. 25, (2014).
- Hong, S., et al. Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 913-917 (2013).
- Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Physical review letters. 87, 215502 (2001).
- Garner, W., Abernethy, C. Heats of combustion and formation of nitro-compounds. Part I. Benzene, toluene, phenol and methylaniline series. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 99, 213-235 (1921).
- Passingham, C., Hendra, P. J., Hodges, C., Willis, H. A. The Raman spectra of some aromatic nitro compounds. Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. 47, 1235-1245 (1991).
- Rinkenbach, W. H. The Heats Of Combustion And Formation Of Aromatic Nitro Compounds. Journal of the American Chemical Society. 52, 115-120 (1930).
