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Engineering

Thermopower तरंगों का अध्ययन में रासायनिक ईंधन और बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब का हाइब्रिड कंपोजिट की तैयारी और मूल्यांकन

Published: April 10, 2015 doi: 10.3791/52818
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 1
1School of Mechanical Engineering, Korea University
* These authors contributed equally

Abstract

ईंधन और एक माइक्रो / nanostructured सामग्री का एक संकर कम्पोजिट में एक निश्चित स्थान पर एक रासायनिक ईंधन प्रज्वलित किया जाता है, रासायनिक दहन ईंधन और कोर सामग्री के बीच इंटरफेस के साथ होता है। इसके साथ ही, सूक्ष्म / सामग्री nanostructured भर में थर्मल और रासायनिक क्षमता में गतिशील परिवर्तन एक उच्च उत्पादन में वोल्टेज पल्स के रूप में चार्ज हस्तांतरण द्वारा प्रेरित सहवर्ती विद्युत ऊर्जा उत्पादन में परिणाम। हम संश्लेषण से मूल्यांकन करने के लिए, एक thermopower लहर प्रयोग करने की पूरी प्रक्रिया प्रदर्शित करता है। थर्मल रासायनिक वाष्प जमाव और गीला संसेचन प्रक्रिया क्रमशः एक बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब सरणी के संश्लेषण और Picric एसिड / सोडियम azide / बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब के एक संकर समग्र के लिए कार्यरत हैं। तैयार संकर कंपोजिट जोड़ने इलेक्ट्रोड के साथ एक thermopower लहर जनरेटर निर्माण करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। संकर समग्र दहन लेजर हीटिंग या जौल-हीटिंग, और वें द्वारा शुरू की हैई इसी दहन प्रचार, सीधे विद्युत ऊर्जा उत्पादन, और वास्तविक समय तापमान में परिवर्तन क्रमश: एक उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली, एक आस्टसीलस्कप, और एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर का उपयोग करके मापा जाता है। इसके अलावा, महत्वपूर्ण रणनीतियों संकर समग्र और समग्र thermopower तरंग ऊर्जा हस्तांतरण में वृद्धि है कि उनके दहन की दीक्षा के संश्लेषण में अपनाया जाने का प्रस्ताव है।

Introduction

रासायनिक ईंधन बहुत ही उच्च ऊर्जा घनत्व है और व्यापक रूप से macrosystems को माइक्रोसिस्टम्स से आवेदनों की एक विस्तृत रेंज में उपयोगी ऊर्जा स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया गया है। एक विशेष रूप से, कई शोधकर्ताओं अगली पीढ़ी के सूक्ष्म / NanoSystems के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में रासायनिक ईंधन का उपयोग करने के लिए प्रयास किया है आधारित प्रौद्योगिकियों। 2 हालांकि, सूक्ष्म / nanodevices में अत्यंत छोटे रिक्त स्थान में ऊर्जा रूपांतरण घटकों को एकीकृत करने में कठिनाई के कारण, विद्युत ऊर्जा में रासायनिक ईंधन के रूपांतरण के लिए मौलिक सीमाएं हैं। इसलिए, रासायनिक ईंधन के दहन में मुख्य रूप से इस तरह के nanothermites या microactuators के रूप में सूक्ष्म / nanodevices में रासायनिक या यांत्रिक ऊर्जा के उत्पादन के लिए नियोजित किया गया है। 1,3

Thermopower लहरों-एक नव विकसित ऊर्जा रूपांतरण अवधारणा है बिजली ईन करने के लिए सीधे एक ईंधन के रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए एक पद्धति के रूप में काफी ध्यान आकर्षित कियाकिसी भी परिवर्तित घटकों का उपयोग किए बिना rgy। 4,5 Thermopower तरंगों को एक रासायनिक ईंधन का एक संकर समग्र और एक माइक्रो / nanostructured सामग्री का उपयोग कर उत्पन्न किया जा सकता है। एक संकर कम्पोजिट में एक निश्चित स्थान पर रासायनिक ईंधन प्रज्वलित किया जाता है तो 5, रासायनिक दहन साथ होता है रासायनिक ईंधन और माइक्रो / nanostructured सामग्री के बीच इंटरफेस। इसके साथ ही, एक उच्च उत्पादन में वोल्टेज पल्स के रूप में चार्ज हस्तांतरण द्वारा प्रेरित सहवर्ती विद्युत ऊर्जा उत्पादन में कोर माइक्रो / nanostructured सामग्री परिणाम भर में थर्मल और रासायनिक क्षमता में गतिशील परिवर्तन। यह ऐसी बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) 4-6 और जेडएनओ, सात द्विपक्षीय दो ते 3, 8 एस.बी. दो ते 3, 9 और MNO 2 के रूप में विविध सूक्ष्म / सामग्री nanostructured 10 माइक्रो / सामग्री nanostructured संकर कंपोजिट की अनुमति है कि साबित हो गया है thermopower तरंगों का उपयोग और रासायनिक थर्मल बिजली दिखाने के लिएकैलोरी ऊर्जा रूपांतरण। विशेष रूप से, एक उच्च Seebeck गुणांक के साथ कोर सामग्री केवल प्रचारित दहन से उच्च उत्पादन voltages की पीढ़ी के लिए सक्षम है। हालांकि, इस तरह के रासायनिक ईंधन, ईंधन / कोर-सामग्री, निर्माण की प्रक्रिया की बड़े पैमाने अनुपात, और इग्निशन शर्तों के मिश्रण के रूप में समान कंपोजिट, से संबंधित अन्य मानकों समीक्षकों thermopower लहरों के समग्र गुणों को प्रभावित।

इस के साथ साथ, हम विनिर्माण प्रक्रियाओं, एक गठबंधन रासायनिक ईंधन के गठन, और ईंधन / कोर माल की बड़े पैमाने अनुपात thermopower लहर प्रदर्शन को प्रभावित कैसे दिखा। थर्मल रासायनिक वाष्प जमाव (TCVD) द्वारा गढ़े एक MWCNT सरणी के आधार पर, हम एक रासायनिक ईंधन और MWCNTs के एक संकर समग्र thermopower लहर ऊर्जा उत्पादन के लिए तैयार किया जाता है कैसे दिखा। ऊर्जा रूपांतरण के मूल्यांकन के लिए सक्षम बनाता है कि प्रयोगात्मक स्थापना की डिजाइन इस तरह के दहन propagati के रूप में प्रक्रियाओं के लिए प्रयोगात्मक माप इसी के साथ शुरू की हैपर और सीधे विद्युत ऊर्जा उत्पादन। इसके अलावा, हम polarity के गतिशील उत्पादन में वोल्टेज और विशिष्ट सत्ता शिखर-महत्वपूर्ण विद्युत ऊर्जा रूपांतरण निर्धारित करता है के द्वारा वितरण वर्णित है कि प्रदर्शित करता है। इस अध्ययन में ऊर्जा उत्पादन बढ़ाने के लिए विशेष रणनीति प्रदान करेगा, और thermopower लहरों के अंतर्निहित भौतिक विज्ञान को समझने में मदद मिलेगी। इसके अलावा, यहां वर्णित निर्माण की प्रक्रिया और प्रयोगों thermopower लहरों पर अनुसंधान के अवसरों का विस्तार करने में मदद, साथ ही रासायनिक थर्मल विद्युत ऊर्जा रूपांतरण पर होगा।

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Protocol

खड़ी गठबंधन बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब के 1. संश्लेषण (VAMWCNTs)

  1. वेफर की तैयारी और उत्प्रेरक परतों के बयान
    1. एक एन-प्रकार (100) सी वफ़र तैयार करें।
    2. थर्मल ऑक्सीकरण या ऐसे sputtering के रूप में वैकल्पिक तरीकों से सी वफ़र पर एक 250 एनएम मोटी 2 Sio परत जमा। एक क्षैतिज भट्ठी में 1000 डिग्री सेल्सियस पर 3 घंटा 20 मिनट के लिए ओ 2 के 200 SCCM इंजेक्षन।
    3. 2 Sio परत पर परत: (1000 डब्ल्यू आरएफ शक्ति) स्रोत और एक 10 एनएम मोटी अल 2 ओ 3 (99.9%) जमा एक बहु-धूम के रूप में थोक अल 2 ओ 3 (99.9%) का प्रयोग करें। 2 × 10 -2 एम्बार के एक बयान के दबाव के साथ 10 एनएम / मिनट की एक धीमी गति से जमा दर का प्रयोग करें।
    4. एक ई-बीम बाष्पीकरण को रोजगार से एक स्रोत के रूप में थोक फे (99.9%) का प्रयोग करें, और अल 2 ओ 3 परत पर एक एक एनएम-मोटी फ़े परत जमा। 5 × 10 -6 Torr के एक बयान के दबाव के साथ 0.1 एनएम / सेक ~ की एक धीमी गति से जमा दर का प्रयोग करें। एक हीरे की खुरचने का औजर का उपयोग करते हुए एक 28 मिमी × 15 मिमी आकार के फ़े / अल 2 हे 3/2 Sio / सी वफ़र काटें।
      नोट: VAMWCNT सरणी के वांछनीय आकार पर निर्भर करता है, फ़े / अल 2 हे 3/2 Sio / सी वेफर का आकार अलग किया जा सकता है।
  2. MWCNT TCVD द्वारा सरणी और मुक्त खड़े MWCNT जंगलों की तैयारी के संश्लेषण।
    1. 120 मिमी × 30 मिमी के आयाम है कि एक क्वार्ट्ज नाव में केन्द्र फ़े / अल 2 हे 3/2 Sio / सी वफ़र रखें।
    2. TCVD सेटअप (चित्रा 1 ए) के 2 इंच क्वार्ट्ज ट्यूब के अंदर क्वार्ट्ज नाव रखें।
    3. हवा निकालने और गिरफ्तारी के साथ 2 इंच क्वार्ट्ज ट्यूब को भरने के लिए परिवेश शर्तों के तहत 10 मिनट के लिए AR गैस के 900 SCCM इंजेक्षन।
    4. 30 मिनट में 750 डिग्री सेल्सियस के लिए 25 डिग्री सेल्सियस से भट्ठी में तापमान में वृद्धि, जबकि अर गैस के 600 SCCM और एच 2 गैस के 400 SCCM इंजेक्षन।
    5. अर गैस की 100 SCCM और एच 2 गा के 400 SCCM इंजेक्षन10 मिनट के लिए 750 डिग्री सेल्सियस पर एस MWCNTs की जड़ों के रूप में फे नैनोकणों तैयार करने के लिए।
    6. अर गैस की 100 SCCM, एच 2 गैस की 368 SCCM, और 280 मिनट के लिए 750 डिग्री सेल्सियस पर इथाइलीन (सी 2 एच 4) गैस की 147 SCCM इंजेक्षन। एक कार्बन स्रोत के रूप में कार्य करने के लिए सी 2 एच 4 गैस के विघटन को बढ़ावा देने के साथ ही, टंगस्टन फिलामेंट (15 ए: 0.8 वी, वर्तमान वोल्टेज) द्वारा क्वार्ट्ज ट्यूब के प्रवेश द्वार पर जौल हीटिंग लागू होते हैं। ये कार्बन स्रोतों सी वेफर्स पर फे नैनोकणों से जुड़ी है और CNTs में तब्दील कर रहे हैं।
    7. एच 2 गैस और सी 2 एच 4 गैस का इंजेक्शन बंद करो, और भट्ठी बंद कर देते हैं। वेफर के तापमान से नीचे 60 डिग्री सेल्सियस गिर जाता है जब तक इस प्रक्रिया के दौरान, लगातार एर गैस की 100 SCCM इंजेक्षन।
    8. वेफर पर MWCNTs बाहर ले जाओ। (चित्रा 1 बी): धीरे मुक्त खड़े MWCNT जंगलों (3-6 मिमी लंबाई) प्राप्त करने के लिए वेफर से MWCNT सरणी अलग।

  1. रासायनिक ईंधन की तैयारी
    1. एक Picric एसिड (2,4,6-trinitro फिनोल) समाधान और सोडियम azide (नेन 3) तैयार करें।
      1. Picric एसिड पाउडर (24 घंटा के लिए एक एटीएम, 25 डिग्री सेल्सियस,) प्राप्त करने के लिए Picric एसिड समाधान लुप्त हो जाना। Picric एसिड पाउडर की 6 ग्राम उपाय और acetonitrile की 100 मिलीलीटर (262 मिमी) में भंग।
      2. उपाय 6 सोडियम azide पाउडर की जी और विआयनीकृत (डीआई) पानी (923 मिमी) की 100 मिलीलीटर में भंग।
  2. गीला संसेचन के माध्यम से संश्लेषण और संकर कंपोजिट के लक्षण वर्णन
    1. एक Microbalance के साथ एक व्यक्ति MWCNT जंगल की बड़े पैमाने पर उपाय और SEM (चित्रा -4 ए) द्वारा MWCNT जंगल के गठबंधन संरचनाओं की पुष्टि करें। 15 केवी के एक वोल्टेज और 1,200X के एक बढ़ाई प्रयोग करें। गठबंधन संरचना पूरे MWCNT जंगल भर में बनाए रखा है कि क्या जाँच करें।
    2. टी पर 262 मिमी Picric एसिड समाधान के 25 μl जोड़ेंMWCNT वन के सेशन ईंधन जंगल का pores घुसना करने के लिए अनुमति देने के लिए। 30 मिनट की फिल्म सरणी हटना, और सभी acetonitrile वन (चित्रा 1C) से सुखाया गया है जब तक Picric एसिड पूरी तरह से pores घुसना करने के लिए अनुमति देने के लिए के लिए है के रूप में नमूना छोड़ दें।
      नोट: रासायनिक ईंधन और MWCNT सरणी के बीच लक्ष्य के अनुपात के आधार पर, Picric एसिड समाधान की एकाग्रता और राशि को संशोधित।
    3. गीला संसेचन द्वारा 2,4,6-trinitro सोडियम phenoxide और हाइड्रोजन azide (ईंधन परत) बनाने के लिए 923 मिमी सोडियम azide समाधान के 25 μl में Picric एसिड में लिपटे MWCNT जंगलों विसर्जित कर दिया। सभी सॉल्वैंट्स लुप्त हो जाना जब तक 30 मिनट के लिए नमूना छोड़ दें।
      नोट: रासायनिक ईंधन और MWCNT सरणी के बीच लक्ष्य के अनुपात के आधार पर आप सोडियम azide समाधान की एकाग्रता और राशि संशोधित कर सकते हैं।
    4. एक Microbalance साथ ईंधन और MWCNTs के एक व्यक्ति के संकर समग्र की बड़े पैमाने पर उपाय है, और लोगों की बड़े पैमाने अनुपात की गणना करने के लिए अंतिम द्रव्यमान की तुलनाईंधन परत और MWCNTs।
      1 समीकरण
      एम एच और एम एम क्रमशः व्यक्ति संकर समग्र और व्यक्तिगत MWCNT फिल्म की बड़े पैमाने पर कर रहे हैं जहां।
    5. SEM (चित्रा 5A) द्वारा ईंधन और MWCNTs की संकर समग्र गठबंधन संरचनाओं की पुष्टि करें। निर्माता के निर्देशों के अनुसार, परिचालन की स्थिति के लिए दबाव कम है, और रासायनिक ईंधन एकत्रीकरण स्पष्ट रूप से गठबंधन MWCNT जंगल में मनाया जाता है जब तक बढ़ाई बढ़ा। MWCNTs पर ईंधन एकत्रीकरण के आकार की जाँच करें।

Thermopower लहर जनरेटर 3. विनिर्माण (चित्रा 2)

  1. Thermopower लहर से सीधे वोल्टेज उत्पादन के उपाय जो एक आस्टसीलस्कप, के साथ कनेक्शन के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करने के लिए एक गिलास स्लाइड के दोनों सिरों को तांबे टेप संलग्न।
  2. एक चांदी की सहूलियत के माध्यम से संकर समग्र के दोनों सिरों को तांबे टेप कनेक्टते बूँद। चांदी पेस्ट मुश्किल हो जाता है और कनेक्शन तय हो गई है जब तक नमूना छोड़ दें।
  3. संकर समग्र के बिजली के प्रतिरोध को मापने के लिए एक मल्टीमीटर प्रयोग करें।

Thermopower लहरें 4. मापन (चित्रा 3)

  1. एक polycarbonate कक्ष के अंदर, सुरक्षा के लिए clamps के साथ ऑप्टिकल मेज पर thermopower लहर जनरेटर ठीक।
  2. उत्पादन में वोल्टेज की माप के लिए आस्टसीलस्कप के लिए तांबा इलेक्ट्रोड कनेक्ट करने के लिए मगरमच्छ क्लिप का प्रयोग करें।
  3. एक उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली स्थापित [घटक: एक उच्च गति कैमरा (> 5000 फ्रेम / सेक), मैक्रो लेंस (105 मिमी / F2.8 लेंस), और एक एलईडी दीपक] जनरेटर से दहन प्रचार रिकॉर्ड करने के लिए। प्लेस और thermopower लहर जनरेटर के सामने उच्च संकल्प छवियों के साथ स्पष्ट रिकॉर्डिंग के लिए एलईडी दीपक पर बारी। / सेक 5000 तख्ते पर रिकॉर्डिंग गति सेट करें।
  4. तापमान में वास्तविक समय में परिवर्तन रिकॉर्ड करने के लिए एक विशिष्ट स्थिति पर एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर रखेंसंकर समग्र।
  5. संकर कम्पोजिट में रासायनिक ईंधन प्रज्वलित लेजर विकिरण या जौल हीटिंग या तो लागू करें।
    1. संकर समग्र पर एक विशिष्ट स्थिति पर लेजर (<1000 मेगावाट) ध्यान दें। दहन thermopower लहर जनरेटर में शुरू की है जब तक कुछ सेकंड के लिए ध्यान बनाए।
    2. एक उच्च मौजूदा बिजली की आपूर्ति और एक निकल क्रोम तार तैयार करें। और एक निकल तार गर्मी: एक उच्च मौजूदा बिजली की आपूर्ति करने के लिए तार कनेक्ट (5 वी और 3 ए शर्तों के संचालन)। दहन thermopower लहर जनरेटर में शुरू की है, जब तक संकर समग्र पर गरम निकल तार और रासायनिक ईंधन के बीच कोमल संपर्क करें।
  6. एक thermopower लहर जनरेटर द्वारा शुरू की है, जब एक उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली, एक आस्टसीलस्कप, और एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर, से मिलकर, माप सेटअप चालू करें।
    1. सेटअप उच्च गति कैमरे में रिकॉर्डिंग फ्रेम दर (5000 फ्रेम / सेक)। Thermopo के शुरू में ट्रिगर रिकॉर्डिंगwer लहर प्रसार। रिकॉर्ड उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली के साथ उच्च गति फोटो छवियों में फोटो, और thermopower लहर प्रसार के शुरू से आखिर तक दर्ज तख्ते की संख्या निकालने (तख्ते की कुल #NUMBER)।
    2. आस्टसीलस्कप का उपयोग करके thermopower लहर प्रसार के शुरू से खत्म करने वोल्टेज संकेत रिकॉर्ड। उत्पादन में वोल्टेज नाड़ी (वी) निकालें।
    3. लक्ष्य क्षेत्रों को इंगित करता है जो एक संकर समग्र, पर विशिष्ट स्थिति पर ऑप्टिकल पाइरोमीटर ध्यान दें, और तापमान में गतिशील परिवर्तन को मापने (डिग्री सेल्सियस)।
  7. उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली में व्यक्तिगत तख्ते पर प्रतिक्रिया सामने की स्थिति निकालने के द्वारा प्रतिक्रिया प्रसार के वेग की गणना।
    2 समीकरण
    जहां, एल एच संकर समग्र की कुल लंबाई है, एन एफ एन ओ <thermopower लहर प्रसार के शुरू से आखिर तक दर्ज तख्ते की संख्या है, और/ उप> रिकॉर्डिंग फ्रेम दर है।
  8. आस्टसीलस्कप से उत्पादन में वोल्टेज डेटा निकालने और अधिकतम पीक वोल्टेज के साथ ही उत्पादन में वोल्टेज नाड़ी से विशिष्ट शक्ति की गणना। चरण 3 में मापा गया था कि विद्युत प्रतिरोध का प्रयोग करें।
  9. ऑप्टिकल पाइरोमीटर का उपयोग करके तापमान परिवर्तन निकालें।

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Representative Results

चित्रा -4 ए के रूप में दिखाया thermopower लहरों के लिए एक कोर nanostructured सामग्री के रूप में गठबंधन MWCNT सरणी, TCVD, 11-13 से संश्लेषित किया गया था। के रूप में विकसित MWCNTs के व्यास 20-30 एनएम (4B चित्रा) है। Picric एसिड / सोडियम azide / MWCNTs की गठबंधन संकर समग्र चित्रा 5A में दिखाया गया है। प्रोटोकॉल खंड में वर्णित के रूप में यह समग्र, गीला संसेचन प्रक्रिया द्वारा 14 संश्लेषित किया गया था। रासायनिक ईंधन और MWCNTs के बीच एक अंतरफलक फार्म के क्रम में, Picric एसिड MWCNT सरणी के अंदर प्रवेश की अनुमति देने, acetonitrile (एक सतह-कम ऊर्जा विलायक) में भंग कर दिया गया था। इसके अलावा, जबकि सोडियम azide आसान प्रज्वलन के लिए एक पतली परत के लिए फार्म डि पानी में भंग कर दिया गया था। रासायनिक ईंधन दो रसायनों से बना था: मुख्य रासायनिक ईंधन के दहन के एक उच्च तापीय धारिता के साथ Picric एसिड था (2570 केजे / मोल) सोडियम azide अपनी कम activat के कारण प्रारंभिक प्रतिक्रिया के लिए ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया गया था, जबकिचित्रा 5 ब रूप में दिखाया गया आयन ऊर्जा (40 केजे / मोल)। 5 इसके अलावा, Picric एसिड का मिश्रण / सोडियम azide, दहन प्रवर्धित कि एक आयामी संरचना का गठन। 15 thermopower लहर जनरेटर के निर्माण, उच्च गति के बाद माइक्रोस्कोपी प्रणाली दर्ज दहन प्रचार (चित्रा 6)। जौल हीटिंग दहन प्रज्वलित, और इसे जल्दी MWCNTs की गठबंधन दिशा साथ एक आत्म प्रचार रासायनिक प्रतिक्रिया के रूप में तब्दील हो गया था (चित्रा 6A और 6B)। इसके साथ ही, सहवर्ती विद्युत ऊर्जा रूपांतरण के रूप में एक निर्गम वोल्टेज गया था सिंक्रनाइज़ आस्टसीलस्कप (चित्रा 7) का उपयोग कर प्राप्त की। प्रज्वलन के लिए इस्तेमाल किया निकल क्रोम तार केवल संकर समग्र पर ईंधन यौगिक संपर्क किया, और बाहरी बिजली के संकेत से कोई अशांति नहीं थी। एक नियंत्रण प्रयोग के रूप में, MWCNT सरणी का उपयोग किए बिना रासायनिक दहन एसए के माध्यम से जांच की गईमुझे प्रक्रियाओं। यह दहन के लिए कोई विशेष दिशा था कि वहाँ की पुष्टि की थी। MWCNT सरणी का उपयोग नहीं किया गया था, इसके अलावा, जब विद्युत ऊर्जा उत्पादन नहीं मनाया गया।

चित्र 1
रासायनिक ईंधन और MWCNTs की संकर कंपोजिट चित्रा 1. संश्लेषण। (क) TCVD की स्थापना की। एक मुक्त खड़े MWCNT फिल्म की (ख) योजना। (ग) योजना गीला संसेचन प्रक्रिया द्वारा संश्लेषित संकर कंपोजिट, के। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
Thermopower लहर जनरेटर नमूना चित्रा 2. विनिर्माण। कांच और चांदी पेस्ट तांबे टेप कर रहे हैं स्लाइडएक सब्सट्रेट के रूप में इस्तेमाल किया और क्रमशः, नोड जोड़ने। ईंधन परतों और कोर सामग्री का हाइब्रिड कंपोजिट thermopower लहर स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. प्रायोगिक माप thermopower लहरों के लिए निर्धारित किया है। (ए) योजना सिंक्रनाइज़ प्रयोगात्मक की thermopower तरंगों के माध्यम से प्रभारी आंदोलनों दिखा रहा है, की स्थापना की। एक उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली, एक आस्टसीलस्कप, एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर, और एक इग्निशन सिस्टम से मिलकर (बी) के एक polycarbonate कक्ष में रियल प्रयोगात्मक सेटअप,। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


चित्रा 4. विस्तारित MWCNTs। (ए) TCVD द्वारा संश्लेषित एक MWCNT सरणी के SEM छवि। एक व्यक्ति MWCNT (बी) मंदिर छवि। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
रासायनिक ईंधन और MWCNT सरणी चित्रा 5. विस्तारित संकर कंपोजिट। Picric एसिड / सोडियम azide / MWCNT समग्र, और (बी) Picric एसिड की एक आयामी एकत्रीकरण / विलायक वाष्पीकरण के बाद सोडियम azide (ए) में विस्तृत संरचनाओं के SEM छवियों। कृपया टी का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें उसका आंकड़ा।

चित्रा 6
Thermopower तरंगों के माध्यम से 6 चित्रा थर्मल लहर प्रसार, उच्च गति माइक्रोस्कोपी प्रणाली (5000 फ्रेम / सेक) का उपयोग मापा जाता है। (ए) के एकल polarity और (बी) अव्यवस्थित polarity में विद्युत ऊर्जा उत्पादन के साथ दहन प्रचार की फोटो। के लिए यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

चित्रा 7
Thermopower लहरों से चित्रा 7. विद्युत ऊर्जा उत्पादन। (ए) के एकल polarity में उत्पादन voltages, और (बी) अव्यवस्थित ध्रुवता।e.jpg "लक्ष्य =" _blank "> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आंकड़ा 8
Picric एसिड / सोडियम azide के रासायनिक ईंधन के मिश्रण में संरचनात्मक परिवर्तन की 8 चित्रा योजना। (ए, बी) Picric एसिड / सोडियम azide और सोडियम 2,4,6-trinitrophenolate / हाइड्रोजन azide की रासायनिक संरचना ना + और ​​एच का आदान प्रदान के बाद + । (सी) योजनाबद्ध आदेश दिया, एक आयामी संरचना में 2,4,6-trinitrophenolate / हाइड्रोजन azide की रासायनिक संरचना की। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एक एकल polarity में Thermopower लहरों एक अव्यवस्थित polarity में Thermopower लहरों
आउटपुट वोल्टेज ईंधन / MWCNT अनुपात पावर (किलोवाट / किग्रा) आउटपुट वोल्टेज ईंधन / MWCNT अनुपात पावर (किलोवाट / किग्रा)
(एम वी) (एम वी)
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

उत्पादन में वोल्टेज, ईंधन / MWCNT बड़े पैमाने अनुपात और विशिष्ट शक्ति की तालिका 1. सारांश।

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Discussion

thermopower लहर प्रयोगों के प्रोटोकॉल आदर्श थर्मल लहर प्रसार के साथ-साथ विद्युत ऊर्जा पीढ़ी सक्षम है कि महत्वपूर्ण कदम शामिल है। सबसे पहले, इग्निशन का विशिष्ट स्थान है और इसी की प्रतिक्रिया स्थानांतरण thermopower लहरों से ऊर्जा रूपांतरण को नियंत्रित करने में काफी कारक हैं। संकर समग्र के एक छोर पर इग्निशन एक दिशा में कोर माल और रासायनिक ईंधन के बीच इंटरफेस के साथ दहन निर्देशित शुभारंभ किया। हालांकि, किसी भी अन्य स्थिति में इग्निशन कोर सामग्री के अंदर विपरीत दिशाओं में चार्ज वाहक के रद्द होने के साथ ही अव्यवस्थित थर्मल परिवहन, जिसके परिणामस्वरूप दोनों सिरों को स्थानांतरित कर दिया गया है कि द्वि-दिशात्मक thermopower लहरों उत्पन्न। चित्रा 7A में दिखाया गया है, एक छोर पर प्रज्वलन एकल polarity के विद्युत ऊर्जा का उत्पादन किया; हालांकि, केंद्र की स्थिति में इग्निशन उत्पादन वाल्ट में दो-दिशात्मक दहन प्रसार, और अव्यवस्थित polarity में हुईउम्र (चित्रा 7B)। इसके अलावा, thermopower लहरों में एकल polarity के अधिक से अधिक पांच बार था कि एक चोटी उत्पादन में वोल्टेज में हुई है कि आरोपों के रद्द किए बिना निरंतर थर्मल तरंगों द्वारा त्वरित चार्ज हस्तांतरण के कारण अव्यवस्थित polarity के मामले में।

रासायनिक ईंधन और कोर माइक्रो के बीच बड़े पैमाने अनुपात / nanomaterials के thermopower लहरों के समग्र विशेषताओं का निर्धारण कर सकते हैं। के रूप में उल्लेख 16,17, जन अनुपात में इस्तेमाल किया समाधान के अलग एकाग्रता और राशि के कारण एक नियंत्रणीय कारक है। इस अध्ययन में, रासायनिक ईंधन और कोर सामग्री के बीच उचित इंटरफेसियल क्षेत्रों अंतरफलक के साथ एक स्थिर चेन रिएक्शन को बढ़ावा दिया और प्रभावी ऊर्जा हस्तांतरण (चित्रा 6A) में जिसके परिणामस्वरूप, नियंत्रित दहन प्रचार प्रदान की है। इसके विपरीत, यह बहुत अधिक रासायनिक ईंधन के साथ एक स्थिर चेन रिएक्शन को बनाए रखने के लिए मुश्किल है। Thermopower लहरें, उच्च के साथ कोर सामग्री के मामले मेंथर्मल चालकता इंटरफेसियल क्षेत्रों में रासायनिक ईंधन के लिए पूर्व हीटिंग तापीय ऊर्जा आपूर्ति, और अंतरफलक के साथ सक्रियण ऊर्जा से पार पाते हुए पड़ोसी ईंधन के दहन को बढ़ावा देता है। अतिरिक्त रासायनिक ईंधन इस्तेमाल किया जाता है लेकिन, जब परवाह किए बिना, मूल सामग्री के साथ थर्मल परिवहन की, मूल सामग्री से दूर है कि रासायनिक ईंधन नहीं बल्कि कम से निर्देशित-चेन रिएक्शन से रासायनिक ईंधन के अंदर बेतरतीब ढंग से प्रचारित प्रतिक्रिया के कारण प्रज्वलित किया जा सकता है इंटरफेस (चित्रा 6B)। यह कई दिशाओं में दहन के साथ ही अव्यवस्थित polarity में यह परिणाम है। इष्टतम जन के अनुपात और अत्यधिक रासायनिक ईंधन अनुपात की तुलना प्रयोगात्मक परिणाम तालिका 1 में संक्षेप हैं। 1000 एम वी से अधिक का उत्पादन 4.19 की एक इष्टतम जन के अनुपात, 36.59 का एक अत्यधिक द्रव्यमान अनुपात के बारे में केवल 35 एम वी उत्पन्न करते हैं।

इसके अलावा, रासायनिक ईंधन रचना की विशिष्ट संशोधन enhan आगे कर सकते हैंthermopower लहर में सीई ऊर्जा रूपांतरण। असल में, संकर कंपोजिट में रासायनिक ईंधन रचना और जन अनुपात thermopower लहरों से एक दहन प्रचार पर मजबूत प्रभाव है, साथ ही विद्युत ऊर्जा उत्पादन किया है। सबसे पहले, MWCNTs अंदर ईंधन के मिश्रण का एक आयामी एकत्रित एक प्राथमिक ईंधन और सोडियम azide (चित्रा 5) की एक विशेष संयोजन से महसूस किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, picramide और सोडियम azide के ईंधन के मिश्रण का कोई गठबंधन एकत्रीकरण वहां गया था। Picric एसिड और सोडियम azide मिलाया जाता है और गीला संसेचन प्रक्रिया के दौरान सुखाया गया जब 8 चित्रा में दिखाया गया है लेकिन, जैसा कि निर्देशित रासायनिक प्रतिक्रिया पदोन्नत एक रसायन है कि ईंधन की एक नई संरचना, संश्लेषित किया गया था। Picric एसिड और सोडियम azide मिश्रण में, Picric एसिड में एच + आयन Figur (ईंधन परत में 2,4,6-trinitro सोडियम phenoxide और हाइड्रोजन azide (एच एन 3) के गठन, सोडियम azide में ना + आयन के साथ विमर्श किया गया थाबेंजीन के छल्ले के बीच वान डर वाल्स बल द्वारा प्रेरित कर रहे हैं, जो ई 8A और स्टैकिंग इसके साथ ही 8b)। 18, एक सिलेंडर 19,14 (चित्रा 8C) के समान आकार के साथ, एक-आयामी एकत्रित संरचनाओं का निर्माण किया। यह thermopower लहरों से नए रासायनिक यौगिक के गठन के नकारात्मक तापीय धारिता और रासायनिक ईंधन का एक-आयामी गठबंधन संरचनाओं, उत्पादन में वोल्टेज पीढ़ी और दहन वेग के कारण नाटकीय रूप से 10 से अधिक बार से परिलक्षित किया गया है कि इस बात की पुष्टि की गई थी। 20

Thermopower लहरों सूक्ष्म / सामग्री nanostructured में रासायनिक थर्मल विद्युत ऊर्जा रूपांतरण की समझ प्रदान कर सकते हैं। अब तक, सूक्ष्म / सामग्री nanostructured में दहन पर अनुसंधान प्रयासों के सबसे तापीय ऊर्जा को रासायनिक से रूपांतरण पर ध्यान केंद्रित किया है, या यांत्रिक ऊर्जा को रासायनिक से; इन उपकरणों के कुछ उदाहरण nanothermites में शामिल हैं औरmicroactuators। Thermopower लहरों के dynamical विद्युत ऊर्जा पीढ़ी के विचार के साथ ऊर्जा रूपांतरण होने की समझ का विस्तार कर सकते हैं। इसके अलावा, thermopower लहरों व्यापक संभावित आवेदन किया है। तालिका 1 में दिखाया गया है, एक संकर कम्पोजिट में thermopower लहरों की ऊर्जा घनत्व अन्य पारंपरिक तरीकों को काफी प्रभावशाली तुलना में है। इस प्रकार, thermopower लहरों छोटी उपकरणों के लिए एक उच्च शक्ति ऊर्जा स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। Thermopower तरंगों को सीधे विद्युत ऊर्जा को बर्बाद गर्मी और ईंधन दोनों परिवर्तित करने में सक्षम हैं, क्योंकि इसके अलावा, यह बेकार ऊर्जा वसूली प्रणाली के एक नए प्रकार के रूप में विकसित किया जा सकता है। इसके अलावा, रासायनिक ईंधन और माइक्रो / सामग्री nanostructured के बीच इंटरफेस में थर्मल लहर प्रसार दहन के माध्यम से ठोस सामग्री संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। हालांकि, पर काबू पाने के लिए एक सीमा है। वर्तमान में, thermopower लहरों केवल दहन के कारण विद्युत ऊर्जा की एक स्पंदित उत्पादन का उत्पादन। इसलिए, एक ऊर्जा संचयन विधि के लिएthermopower लहरों से पल्स ऊर्जा उत्पादन भविष्य में जरूरत हो सकती है। बार-बार मुख्य सामग्री को एक रासायनिक ईंधन की आपूर्ति करती है कि एक विशिष्ट प्रणाली के विकास thermopower तरंगों का उपयोग अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकता है।

सारांश में, हम एक रासायनिक ईंधन और माइक्रो / nanomaterials के एक संकर समग्र synthesize करने के लिए, और एक thermopower लहर जनरेटर का निर्माण करने के तरीकों का वर्णन किया है। thermopower तरंगों के अध्ययन के लिए प्रयोगात्मक सेटअप में विस्तार से समझाया गया है। इसके अलावा, महत्वपूर्ण रणनीतियों thermopower लहरों के आगे बढ़ाने के लिए प्रयोगात्मक डेटा के साथ प्रदर्शन किया गया है के लिए अपनाया जाना। हम इस काम thermopower लहरों से संबंधित क्षेत्रों, साथ ही दहन में सूक्ष्म / nanomaterials के अंदर रासायनिक थर्मल विद्युत ऊर्जा रूपांतरण का उपयोग भविष्य अनुप्रयोगों के विकास के लिए अनुसंधान के लिए योगदान होता है कि उम्मीद है।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम के लिए वित्त पोषित कोरिया विज्ञान और इंजीनियरिंग फाउंडेशन के माध्यम से शिक्षा, विज्ञान और प्रौद्योगिकी (एनआरएफ-2013R1A1A1010575), मंत्रालय द्वारा और नैनो अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित कोरिया के राष्ट्रीय अनुसंधान फाउंडेशन (एनआरएफ), के माध्यम से बेसिक साइंस रिसर्च प्रोग्राम द्वारा समर्थित किया गया शिक्षा, विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय (एनआरएफ-2012M3A7B4049863) द्वारा।

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 98 thermopower लहर दहन कार्बन नैनोट्यूब रासायनिक ईंधन थर्मल परिवहन ऊर्जा रूपांतरण Picric एसिड
Thermopower तरंगों का अध्ययन में रासायनिक ईंधन और बहु-दीवार कार्बन नैनोट्यूब का हाइब्रिड कंपोजिट की तैयारी और मूल्यांकन
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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).

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