Abstract
Quando viene acceso un combustibile chimico in una certa posizione in un composito ibrido del combustibile e un materiale / nanostrutturato micro, combustione chimica avviene lungo l'interfaccia tra i materiali combustibili e core. Contemporaneamente, cambiamenti dinamici potenziali termici e chimici in materiali micro / nanostrutturati comportano la generazione di energia elettrica concomitante indotta da trasferimento di carica nella forma di un impulso di tensione elevata potenza. Dimostriamo l'intera procedura di un esperimento onda termoelettrico, dalla sintesi alla valutazione. Thermal deposizione di vapore chimico e il processo di impregnazione a umido sono rispettivamente impiegati per la sintesi di una matrice nanotubo di carbonio a pareti multiple e un composito ibrido di acido picrico azide / sodio / nanotubi a parete multipla. I compositi ibridi preparati sono utilizzati per fabbricare un generatore di onde termoelettrico con elettrodi di collegamento. La combustione del composito ibrido viene avviato mediante riscaldamento laser o Joule-riscaldamento, e the corrispondente propagazione combustione, generazione di energia elettrica diretta, ed in tempo reale le variazioni di temperatura sono misurati usando un sistema ad alta velocità microscopia, un oscilloscopio, e un pirometro ottico, rispettivamente. Inoltre, le strategie fondamentali da adottare nella sintesi di composito ibrido e l'avvio di loro combustione che migliorano il trasferimento di energia delle onde termoelettrico generale vengono proposti.
Introduction
Combustibili chimici hanno molto alta densità di energia e sono stati ampiamente utilizzati come fonti energetiche utili in una vasta gamma di applicazioni, dai microsistemi ai macrosistemi. 1 In particolare, molti ricercatori hanno cercato di utilizzare combustibili chimici come fonte di energia per la prossima generazione di micro / nanosistemi tecnologie basate su 2. Tuttavia, a causa della difficoltà di integrazione di componenti di conversione di energia in spazi estremamente ridotti in micro / nanodispositivi, ci sono limiti fondamentali per la conversione di combustibili chimici in energia elettrica. Pertanto, la combustione di combustibili chimici è stato impiegato principalmente per la produzione di energia chimica o meccanica in micro / nanodispositivi come nanotermiti o microattuatori. 1,3
Onde-a termoelettrico conversione energetica di nuova concezione concetto-hanno suscitato notevole attenzione come un metodo per convertire l'energia chimica di un combustibile direttamente ene elettricargy senza utilizzare alcun componente di conversione. 4,5 onde termoelettrico possono essere generati utilizzando un composito ibrido di un combustibile chimico e di un materiale micro / nanostrutturati. 5 Quando viene acceso il carburante chimica in una certa posizione in un composito ibrido, combustione chimica avviene lungo l'interfaccia tra il materiale combustibile chimico e micro / nanostrutturati. Contemporaneamente, cambiamenti dinamici potenziali termici e chimici in micro / nanostrutturati risultato nucleo materiale nella generazione di energia elettrica concomitante indotta da trasferimento di carica nella forma di un impulso di tensione elevata potenza. È stato dimostrato che diversi materiali micro / nanostrutturati come nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) 4-6 e ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 e MnO 2 10 materiali micro / nanostrutturati permettono compositi ibridi di utilizzare le onde termoelettrico e mostra chimico-termico-electriconversione di energia cal. In particolare, i materiali di base con un alto coefficiente Seebeck consentono la generazione di tensioni di uscita elevata esclusivamente dalla combustione propagato. Tuttavia, altri parametri relativi ai compositi identici, come la miscela di combustibili chimici, rapporto massa del carburante / nucleo-materiali, il processo di fabbricazione, e le condizioni di accensione influenzano criticamente le proprietà generali delle onde termoelettrico.
Qui, si mostra come i processi di produzione, la formazione di un combustibile chimico allineata, e rapporto di massa di materiali / nucleo carburante influenzano le prestazioni onda termoelettrico. Sulla base di una matrice MWCNT fabbricata da termica deposizione di vapore chimico (TCVD), si mostra come un composito ibrido di un combustibile chimico e MWCNT viene preparato per la generazione di energia delle onde termoelettrico. Esecuzione del setup sperimentale che consente la valutazione della conversione di energia è introdotta insieme alle corrispondenti misure sperimentali per processi come propagati combustioneon e la generazione di energia elettrica diretta. Inoltre, abbiamo dimostrato che la polarità distribuzione descritto dalla tensione di uscita di picco e dinamica specifica determina l'accensione cruciale la conversione di energia elettrica. Questo studio fornirà strategie specifiche per migliorare la produzione di energia, e aiuterà a comprendere la fisica di base delle onde termoelettrico. Inoltre, il processo di fabbricazione e gli esperimenti qui descritti aiuterà ad estendere le opportunità di ricerca sulle onde termoelettrico, nonché sulla conversione dell'energia chimica-termica-elettrica.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sintesi di allineata verticalmente a parete multipla nanotubi di carbonio (VAMWCNTs)
- Preparazione di wafer e deposizione di strati catalitici
- Preparare un tipo n (100) Si wafer.
- Deposito 250-nm di spessore SiO 2 strati sul wafer di Si per ossidazione termica o metodi alternativi come sputtering. Iniettare 200 sccm di O 2 per 3 ore 20 min a 1000 ° C in un forno orizzontale.
- Utilizzare Al bulk 2 O 3 (99,9%) come un multi-polverizzazione (potenza RF: 1,000 W) sorgente e depositare a 10 nm di spessore Al 2 O 3 (99,9%) strato sullo strato SiO 2. Utilizzare una lenta velocità di deposizione di 10 nm / min con una pressione di deposizione di 2 × 10 -2 mbar.
- Utilizzare bulk Fe (99,9%) come fonte impiegando un evaporatore E-beam, e depositare un 1 nm-strato Fe sulla Al 2 O 3 strati. Utilizzare una velocità di deposizione lento ~ 0.1 nm / sec con una pressione di deposizione di 5 × 10 -6 Torr. Tagliare il Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si wafer ad una dimensione 28 millimetri × 15 mm utilizzando un scriber diamante.
Nota: A seconda della dimensione desiderabile dell'array VAMWCNT, la dimensione del Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si wafer può essere variata.
- Sintesi di matrice MWCNT da TCVD e preparazione delle foreste MWCNT free-standing.
- Posizionare il Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si wafer centralmente in una barca quarzo che ha dimensioni di 120 mm x 30 mm.
- Posizionare la barca quarzo all'interno del tubo di quarzo 2 pollici dell'installazione TCVD (Figura 1A).
- Iniettare 900 SCCM di gas Ar per 10 minuti in condizioni ambientali per rimuovere l'aria e riempire il tubo di quarzo 2 pollici con Ar.
- Iniettare 600 sccm di gas Ar e 400 sccm di H 2 gas, aumentando la temperatura nel forno da 25 ° C a 750 ° C in 30 min.
- Iniettare 100 SCCM di gas Ar e 400 sccm di H 2 gas a 750 ° C per 10 min formulare nanoparticelle Fe come radici di MWCNT.
- Iniettare 100 sccm di gas Ar, 368 sccm di H 2 gas, e 147 sccm di etilene (C 2 H 4) gas a 750 ° C per 280 min. Contemporaneamente, applicare riscaldamento Joule all'ingresso del tubo di quarzo dal filamento di tungsteno (tensione: 0,8 V, corrente: 15 A) per promuovere la decomposizione di C 2 H 4 gas di agire come fonte di carbonio. Queste fonti di carbonio sono collegati a nanoparticelle Fe su wafer di silicio e trasformati in nanotubi di carbonio.
- Fermare l'iniezione di gas H 2 e C 2 H 4 gas, e spegnere il forno. Durante questa procedura, continuamente iniettare 100 sccm di gas Ar finché la temperatura del wafer è inferiore a 60 ° C.
- Estrarre MWCNT sul wafer. Separare delicatamente la matrice MWCNT dal wafer per ottenere free-standing foreste MWCNT (lunghezza: 3-6 mm) (Figura 1B).
- Preparazione di combustibili chimici
- Preparare un acido picrico (2,4,6-trinitro fenolo) soluzione e sodio azide (NaN 3).
- Evaporare la soluzione di acido picrico per ottenere polvere di acido picrico (1 atm, 25 ° C, per 24 ore). Misura 6 g di polvere di acido picrico e sciogliere in 100 ml di acetonitrile (262 mM).
- Misura 6 g della polvere sodio azide e sciogliere in 100 ml di acqua deionizzata (DI) (923 mM).
- Preparare un acido picrico (2,4,6-trinitro fenolo) soluzione e sodio azide (NaN 3).
- Sintesi e caratterizzazione di compositi ibridi via impregnazione a umido
- Misurare la massa di un bosco MWCNT individuo con una microbilancia e confermare le strutture allineate della foresta MWCNT da SEM (Figura 4A). Utilizzare una tensione di 15 kV e un ingrandimento di 1,200X. Controllare se la struttura allineata viene mantenuto per l'intera foresta MWCNT.
- Aggiungere 25 ml di 262 mm soluzione di acido picrico su top della foresta MWCNT per consentire al carburante di penetrare i pori della foresta. Lasciare il campione come è per 30 min a ridursi la matrice film, e permettono l'acido picrico di penetrare completamente i pori fino a quando tutti acetonitrile è evaporato dalla foresta (Figura 1C).
Nota: A seconda del rapporto di destinazione tra il combustibile chimico matrice MWCNT, modificare la concentrazione e la quantità della soluzione di acido picrico. - Immergere foreste MWCNT picrico acido rivestite in 25 ml di 923 mM soluzione sodioazide per formare 2,4,6-trinitro fenossido sodio e azide idrogeno (livello carburante) per impregnazione a umido. Lasciare il campione per 30 min fino a quando tutti i solventi evaporano.
Nota: A seconda del rapporto di destinazione tra il combustibile chimico e la matrice MWCNT, è possibile modificare la concentrazione e la quantità della soluzione di sodio azide. - Misurare la massa di un composito ibrido individuale di carburante e MWCNT con una microbilancia, e confrontare la massa finale per calcolare il rapporto massail livello del carburante e MWCNT.
dove M e M h m sono la massa del composito ibrido individuo e individuo pellicola MWCNT rispettivamente. - Verificare le strutture allineate del composito ibrido di carburante e MWCNT da SEM (Figura 5A). Secondo le istruzioni del produttore, abbassare la pressione per le condizioni di funzionamento, ed aumentare l'ingrandimento fino alla aggregazione combustibile chimico è chiaramente osservata nella foresta MWCNT allineato. Controllare la forma di aggregazione carburante MWCNT.
3. Produzione di termoelettrico Wave Generator (Figura 2)
- Attaccare nastri di rame ad entrambe le estremità di un vetrino per agire come elettrodi per il collegamento con un oscilloscopio, che misura la tensione in uscita diretta dall'onda termoelettrico.
- Collegare i nastri di rame ad entrambe le estremità del composito ibrido con un pas argentote goccia. Lasciare il campione fino a quando la pasta d'argento diventa duro e la connessione è fissa.
- Utilizzare un multimetro per misurare la resistenza elettrica del composito ibrido.
4. Misura di termoelettrico Waves (Figura 3)
- All'interno di una camera di policarbonato, fissare il generatore di onde termoelettrico sul tavolo ottico con morsetti per la sicurezza.
- Coccodrillo Usa per collegare gli elettrodi di rame per l'oscilloscopio per la misurazione della tensione di uscita.
- Impostare un sistema di microscopia ad alta velocità [componenti: una telecamera ad alta velocità (> 5.000 fotogrammi / sec), obiettivo macro (105 mm Lente / F2.8) e una lampada LED] per registrare la propagazione della combustione del generatore. Luogo e accendere la lampada a LED per la registrazione chiara con immagini ad alta risoluzione di fronte al generatore di onde termoelettrico. Impostare la velocità di registrazione più di 5000 fotogrammi / sec.
- Inserire un pirometro ottico ad una posizione specifica per registrare i cambiamenti in tempo reale della temperaturadel composito ibrido.
- Applicare sia irraggiamento laser o riscaldamento Joule per accendere il combustibile chimico nel composito ibrido.
- Fuoco del laser (<1,000 mW) in una posizione specifica sul composito ibrido. Mantenere l'attenzione per alcuni secondi fino all'avvio di combustione nel generatore di onde termoelettrico.
- Preparare un alimentatore ad alta corrente e un filo di nichel-cromo. Collegare il filo ad una alimentazione ad alta corrente (condizioni di funzionamento: 5 V e 3 A), e riscaldare un filo di nichel. Rendere dolce contatto tra il filo di nichel riscaldata e combustibile chimico sul composito ibrido fino all'avvio combustione nel generatore di onde termoelettrico.
- Accendere il sistema di misura, costituita da un sistema ad alta velocità microscopia, un oscilloscopio, e un pirometro ottico, quando un'onda termoelettrico viene lanciato dal generatore.
- Impostare il frame rate di registrazione (5.000 fotogrammi / sec) nella fotocamera ad alta velocità. Registrazione trigger all'inizio del thermopopropagazione delle onde wer. Istantanee record di immagini fotografiche ad alta velocità con il sistema di microscopia ad alta velocità, e di estrarre il numero di fotogrammi registrati dall'inizio alla fine della propagazione delle onde termoelettrico (#number totale di fotogrammi).
- Registrare il segnale di tensione dall'inizio alla fine della propagazione delle onde termoelettrico utilizzando l'oscilloscopio. Estrarre l'impulso di tensione di uscita (V).
- Fuoco il pirometro ottico nella posizione specifica su un composito ibrido, che indica le aree bersaglio, e misurare le variazioni dinamiche di temperatura (° C).
- Calcolare la velocità di propagazione reazione estraendo la posizione anteriore di reazione a singoli fotogrammi nel sistema di microscopia ad alta velocità.
dove, l h è la lunghezza totale del composito ibrido, n f è il numero di fotogrammi registrati dall'inizio alla fine della propagazione delle onde termoelettrico, e n o </ Sub> è il frame rate di registrazione. - Estrarre i dati di tensione di uscita dal dell'oscilloscopio e calcolare la tensione di picco massima e la potenza specifica da impulso di tensione di uscita. Utilizzare la resistenza elettrica che è stata misurata al punto 3.
- Estrarre la variazione di temperatura utilizzando il pirometro ottico.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
L'array MWCNT allineati, come materiale di base per le onde nanostrutturato termoelettrico, è stato sintetizzato da TCVD, 11-13 come mostrato in Figura 4A. Il diametro di MWCNT come coltivati è 20-30 nm (Figura 4B). Il composito ibrido allineata delle picrico acido / sodio azide / MWCNT è mostrato in Figura 5A. Questo composto è stato sintetizzato dal processo di impregnazione a umido, 14 come descritto nella sezione del protocollo. Per formare un'interfaccia tra il combustibile chimica e MWCNT, acido picrico è stato sciolto in acetonitrile (un solvente basso-superficie di energia), per consentire la penetrazione all'interno della matrice MWCNT. Inoltre, mentre azide di sodio viene sciolto in acqua deionizzata per formare un rivestimento sottile per facile accensione. Il carburante chimica era composto da due sostanze chimiche: il combustibile chimico principale era acido picrico con un alto entalpia di combustione (2.570 kJ / mol) mentre sodio azide è stato utilizzato come combustibile per la reazione iniziale a causa della sua bassa attivata siaione di energia (40 kJ / mol). 5 Inoltre, la miscela di acido picrico / sodio azide formata una struttura unidimensionale che amplificato la combustione, come mostrato nella Figura 5B. 15 Dopo fabbricazione del generatore di onde termoelettrico, l'alta velocità sistema di microscopia registrato propagazione combustione (Figura 6). Joule-riscaldamento acceso la combustione, ed è stato rapidamente trasformato in una reazione chimica auto-propagazione lungo la direzione allineata di MWCNT (figura 6a e 6b). Contemporaneamente, conversione in energia elettrica concomitante un'uscita di tensione è stato ottenuto utilizzando l'oscilloscopio sincronizzato (Figura 7). Il filo di nichel-cromo utilizzato per l'accensione contattato soltanto il composto carburante sul composito ibrido, e non vi era nessun disturbo dal segnale elettrico esterno. Come un esperimento di controllo, la combustione chimica senza utilizzare l'array MWCNT è stato indagato attraverso la same procedure. È stato confermato che non vi era alcuna direzione specifica per la combustione. Inoltre, la produzione di energia elettrica non è stata osservata quando l'array MWCNT non è stato utilizzato.
Figura 1. Sintesi di compositi ibridi di combustibile chimico e MWCNT. (A) TCVD impostato. (B) Schema di una pellicola MWCNT free-standing. (C) Schema di compositi ibridi, sintetizzati dal processo di impregnazione a umido. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Produzione di campione generatore di onde termoelettrico. Vetrino e argento nastro pasta di rame sonoutilizzato come substrato e nodo di collegamento, rispettivamente. Compositi ibridi di strati di carburante e materiali di base sono utilizzati come sorgenti di onde termoelettrico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
3. Misura sperimentale figura istituita per le onde termoelettrico. (A) Schema sperimentale sincronizzato istituito, mostrando i movimenti di carica tramite onde termoelettrico. (B) reale setup sperimentale in una camera di policarbonato, costituita da un sistema di microscopia ad alta velocità, un oscilloscopio, un pirometro ottico, e un sistema di accensione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
SEM immagine di una matrice MWCNT sintetizzato da TCVD Figura 4. estesa MWCNT. (A). Immagine (B) TEM di un individuo MWCNT. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. compositi ibridi estese di combustibile chimico e la matrice. MWCNT immagini SEM di (A) strutture dettagliate di acido picrico / sodio azide / composito MWCNT, e (B) l'aggregazione unidimensionale di acido picrico / sodioazide dopo evaporazione del solvente. Si prega clicca qui per vedere una versione più grande di t la sua figura.
Figura 6. propagazione dell'onda termica tramite onde termoelettrico, misurata con il sistema di microscopia ad alta velocità (5.000 fotogrammi / sec). Istantanee di propagazione della combustione accompagnato da produzione di energia elettrica in (A) singola polarità e (B) la polarità disordinata. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7. generazione di energia elettrica di energia dalle onde termoelettrico. Tensioni d'uscita in (A) polarità singola, e (B) la polarità disordinata.e.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Schema di cambiamenti strutturali miscele di carburante chimiche di acido picrico / sodio azide. (A, B) struttura chimica di acido picrico / azide di sodio e sodio 2,4,6-trinitrophenolate / idrogeno azide dopo lo scambio Na + e H + . (C) Schema di struttura chimica di 2,4,6-trinitrophenolate / idrogeno azide in ordine, la struttura unidimensionale. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| Onde termoelettrico in una sola polarità | Onde termoelettrico in una polarità disordinato | ||||
| Tensione di uscita | Carburante / Rapporto MWCNT | Potenza (kW / kg) | Tensione di uscita | Carburante / Rapporto MWCNT | Potenza (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 |
Tabella 1. Sintesi della tensione di uscita, / MWCNT rapporto di massa di carburante e potenza specifica.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I protocolli di esperimenti onda termoelettrico coinvolgono passaggi critici che consentono ideale propagazione dell'onda termica e produzione di energia elettrica. Innanzitutto, la posizione specifica di accensione e il corrispondente trasferimento di reazione sono notevoli fattori che determinano la conversione di energia dalle onde termoelettrico. Accensione ad una estremità del composito ibrido lanciato guidato combustione lungo le interfacce tra i materiali di base e combustibili chimici in una direzione. Tuttavia, l'accensione in qualsiasi altra posizione ha generato onde termoelettrico bidirezionali che sono stati trasferiti ad entrambe le estremità, con conseguente cancellazione di portatori di carica nelle direzioni opposte così come i trasporti termico disordinato all'interno dei materiali di base. Come mostrato nella Figura 7A, combustione a un'estremità prodotta energia elettrica da sola polarità; Tuttavia, l'accensione nella posizione centrale comportato propagazione combustione bidirezionale, e la polarità disordinato nel volt uscitaetà (Figura 7B). Inoltre, polarità singola in onde termoelettrico comportato una tensione di uscita di picco che era più di cinque volte che nel caso di polarità disordinata a causa del trasferimento di carica accelerata dalle onde termiche continue senza la cancellazione di cariche.
Il rapporto di massa tra il combustibile chimica e nucleo micro / nanomateriali in grado di determinare le caratteristiche globali di onde termoelettrico. 16,17 Come accennato, rapporto di massa è un elemento controllabile a causa della concentrazione variabile e la quantità di soluzione utilizzata. In questo studio, appropriate aree interfacciali tra il combustibile chimico e materiale del nucleo promosso una reazione a catena stabile lungo l'interfaccia e purché la propagazione combustione controllata, con conseguente trasferimento di energia efficace (Figura 6A). Al contrario, è difficile mantenere una reazione a catena stabile con troppo combustibile chimico. Nel caso di onde termoelettrico, il materiale del nucleo con altaconducibilità termica fornisce l'energia termica pre-riscaldamento per il carburante chimica nelle aree interfacciali, e promuove la combustione del combustibile vicina superando l'energia di attivazione lungo l'interfaccia. Tuttavia, quando viene usato combustibile chimico eccesso, indipendentemente dal trasporto termico lungo i materiali di base, il carburante chimico che è lontano dal materiale di base può essere acceso a causa della reazione propagato in modo casuale all'interno del combustibile chimico piuttosto che la reazione a catena guidata alle l'interfaccia (Figura 6B). Ciò provoca la combustione in più direzioni e polarità disordinato. I risultati sperimentali confrontando i rapporti di massa e proporzioni ottimali carburante eccessiva chimici sono riassunti in Tabella 1. Un rapporto massa ottimale di 4.19 prodotto oltre 1.000 mV, mentre un rapporto di massa eccessiva di 36.59 generato solo circa 35 mV.
Inoltre, specifica modifica della composizione chimica del carburante può ulteriormente Embroce conversione dell'energia nell'onda termoelettrico. Fondamentalmente, la composizione chimica del combustibile e rapporto massa in compositi ibridi hanno una forte influenza sulla propagazione di combustione, nonché la generazione di energia elettrica dalle onde termoelettrico. Innanzitutto, aggregazioni monodimensionali di miscele di carburante all'interno MWCNT possono essere realizzati da una combinazione speciale di un combustibile primario e azide di sodio (Figura 5). Ad esempio, non vi era aggregazione allineata di miscele di combustibile picramide e azide di sodio. Tuttavia, quando l'acido picrico e sodio azide sono stati mescolati ed evaporata durante il processo di impregnazione a umido, una nuova struttura di un combustibile chimico che promuove la reazione chimica guidata stato sintetizzato, come mostrato nella Figura 8. Nella acido e sodio azide miscela picrico, la H + ioni in acido picrico è stato scambiato con lo ione Na + in azide di sodio, formando 2,4,6-trinitro fenossido sodio azide e idrogeno (H-N 3) nello strato di combustibile (Figure 8a e 8b). 18 Contemporaneamente, impilamento, che sono indotti dalle forze di van der Waals fra gli anelli benzenici, costruiti uno-dimensionalmente strutture aggregati, con forme simili a un cilindro 19,14 (Figura 8C). È stato confermato che causa l'entalpia negativo della formazione del nuovo composto chimico e le unidimensionale strutture allineate dei combustibili chimici, la generazione della tensione di uscita e la velocità di combustione dalle onde termoelettrico sono stati notevolmente amplificato da oltre 10 volte. 20
Onde termoelettrico possono fornire una comprensione della conversione dell'energia chimica-termica-elettrica in materiali micro / nanostrutturati. Finora, la maggior parte degli sforzi di ricerca sulla combustione di materiali micro / nanostrutturati sono concentrati sulla conversione da chimica in energia termica, o dalla chimica in energia meccanica; alcuni esempi di questi dispositivi includono nanotermiti emicroattuatori. Onde termoelettrico possono estendere la comprensione delle conversioni di energia con la considerazione di generazione di energia elettrica dinamico. Inoltre, onde potere termoelettrico hanno ampi potenziali applicazioni. Come mostrato nella Tabella 1, la densità di potenza delle onde termoelettrico in un composito ibrido è abbastanza impressionante rispetto ad altri metodi convenzionali. Pertanto, le onde termoelettrico possono essere utilizzati come fonte di energia ad alta potenza per dispositivi miniaturizzati. Inoltre, poiché le onde termoelettrico sono in grado di convertire direttamente sia rifiuti calore e combustibile in energia elettrica, può essere sviluppato come un nuovo tipo di sistema di recupero energetico dei rifiuti. Inoltre, la propagazione dell'onda termica all'interfaccia tra il combustibile chimica e materiali micro / nanostrutturati può essere utilizzato per la sintesi di materiali solidi mediante combustione. Tuttavia, vi è un limite di superare. Attualmente, onde termoelettrico producono soltanto un'uscita impulsiva di energia elettrica a causa della combustione. Pertanto, un metodo di raccolta di energia perla produzione di energia dalle onde impulso termoelettrico può essere necessaria in futuro. Lo sviluppo di un sistema specifico che fornisce ripetutamente un combustibile chimico ai materiali di base può essere utile per applicazioni che utilizzano onde termoelettrico.
In sintesi, abbiamo descritto metodi per sintetizzare un composito ibrido di un combustibile chimico e micro / nanomateriali, e la produzione di un generatore di onde termoelettrico. L'apparato sperimentale per lo studio delle onde termoelettrico è stato spiegato in dettaglio. Inoltre, le strategie fondamentali da adottare per rafforzare ulteriormente onde termoelettrico sono state dimostrate con i dati sperimentali. Ci aspettiamo che questo lavoro possa contribuire alla ricerca campi correlati alle onde termoelettrico, nonché per lo sviluppo di applicazioni future che utilizzano la conversione dell'energia chimica-termica-elettrica all'interno micro / nanomateriali in combustione.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dal Programma di ricerca di scienza di base attraverso la Fondazione di Ricerca Nazionale di Corea (NRF), finanziato dal Ministero dell'Istruzione, della Scienza e della Tecnologia (NRF-2013R1A1A1010575), e dal programma di Nano di ricerca e sviluppo attraverso la Corea Science and Engineering Foundation finanziato dal Ministero dell'Istruzione, della Scienza e della Tecnologia (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 |
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).
