Abstract
Når et kemikalie brændstof i en bestemt position i en hybrid sammensætning af brændstoffet og et mikro / nanostruktureret materiale antændes, forekommer kemisk forbrænding langs grænsefladen mellem brændstof og kernematerialer. Samtidig dynamiske ændringer i termiske og kemiske potentialer på tværs af mikro / nanostrukturerede materialer medfører samtidig energiproduktion elektrisk induceret af ladningsoverførsel i form af en høj udgangsspænding puls. Vi viser hele proceduren af en thermopower bølge eksperiment fra syntese til evaluering. Termisk kemisk dampaflejring og den våde imprægneringsprocessen henholdsvis anvendes til syntese af en multi-walled carbon nanorør array og en hybrid kombination af picrinsyre / natriumazid / multi-walled carbon nanotubes. De fremstillede hybride kompositter anvendes til at fremstille en thermopower bølgegenerator med forbinder elektroderne. Forbrændingen af den hybride komposit initieres af laser opvarmning eller Joule-opvarmning, og the tilsvarende forbrænding formering, direkte generation elektrisk energi, og real-time temperaturændringer måles ved hjælp af en high-speed mikroskopi-system, et oscilloskop og en optisk pyrometer hhv. Desuden vil de afgørende strategier skal vedtages i syntesen af hybrid komposit og indledningen af deres forbrænding, der forbedrer den overordnede thermopower bølgeenergi overførsel foreslås.
Introduction
Kemiske brændstoffer har meget høj energitæthed og er ofte blevet brugt som nyttige energikilder i en bred vifte af applikationer fra mikrosystemer til makrosystemer. 1 har især mange forskere forsøgt at bruge kemiske brændstoffer som energikilde til næste generation mikro- / nanosystemer baserede teknologier. 2 På grund af vanskeligheden ved energiomregningsfaktorer komponenter integrere i ekstremt små rum i mikro- / nanodevices, der er fundamentale begrænsninger for omdannelse af kemisk brændstof til elektrisk energi. Derfor har forbrænding af kemiske brændstoffer primært været ansat til fremstilling af kemiske eller mekanisk energi i mikro- / nanodevices såsom nanothermites eller mikroaktuatorer. 1,3
Thermopower bølger-et nyudviklet energi konvertering koncept-har stor opmærksomhed som en metode til at omdanne den kemiske energi af et brændstof direkte til elektrisk ENERGY uden brug konverterende komponenter. 4,5 Thermopower bølger kan genereres ved anvendelse af en hybrid sammensat af et kemisk brændstof og et mikro / nanostruktureret materiale. 5 Når kemiske brændstof i en bestemt position i en hybrid komposit antændes, forekommer kemisk forbrænding sammen grænsefladen mellem kemisk brændstof og mikro / nanostrukturerede materialer. Samtidig dynamiske ændringer i termiske og kemiske potentialer på tværs af core mikro / nanostruktureret materiale resulterer i samtidig energiproduktion elektrisk induceret af ladningsoverførsel i form af en høj udgangsspænding puls. Det er blevet bevist, at forskellige mikro / nanostrukturerede materialer såsom flervæggede kulstofnanorør (MWCNTs) 4-6 og ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 og MNO 2 10 mikro / nanostrukturerede materialer tillader hybrid kompositter at udnytte thermopower bølger og vis kemisk-termisk-elektrical konvertering energi. Specifikt kernematerialer med høj Seebeck koefficient muliggøre genereringen af høje udgangsspændinger udelukkende fra opformeret forbrænding. Men andre parametre vedrørende identiske kompositter, såsom blanding af kemiske brændstoffer, masseforholdet mellem brændstof / kerne-materialer, fremstillingsprocessen, og betingelserne tænding kritisk påvirke de overordnede egenskaber thermopower bølger.
Heri viser vi, hvordan de fremstillingsprocesser, dannelse af en ensartet kemisk brændstof, og masseforholdet mellem brændstof / kernematerialer påvirker thermopower bølge ydeevne. På grundlag af en MWCNT matrix fremstillet ved termisk kemisk dampaflejring (TCVD), viser vi, hvordan en hybrid sammensat af et kemisk brændstof og MWCNTs er forberedt til thermopower bølgeenergi generation. Design af forsøgsopstillingen, der muliggør vurdering af energiomsætningen introduceres sammen med tilsvarende eksperimentelle målinger for processer som forbrændingsprocesser propagatipå og direkte generation elektrisk energi. Endvidere viser vi, at polaritet fordeling beskrevne med den dynamiske udgangsspænding og specifik spidseffekt-afgørende bestemmer den elektriske energi konvertering. Denne undersøgelse vil give specifikke strategier til at forbedre energiproduktion, og vil hjælpe med at forstå de underliggende fysik af thermopower bølger. Desuden vil fremstillingsprocessen og eksperimenter beskrevet her hjælpe udvide forskningsmuligheder på thermopower bølger, samt kemisk-termisk-elektrisk energi konvertering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntese af lod flervæggede kulstofnanorør (VAMWCNTs)
- Udarbejdelse af wafer og deponering af katalysator lag
- Forbered en n-type (100) Si wafer.
- Deponere et 250 nm tykt SiO 2 lag på Si wafer ved termisk oxidering eller alternative metoder, såsom sputtering. Injicer 200 SCCM af O 2 til 3 timer 20 minutter ved 1000 ° C i en vandret ovn.
- Brug hovedparten Al 2 O 3 (99,9%) som et multi-sputter (RF-effekt: 1.000 W) kilde og deponere en 10 nm tyk Al 2 O 3 (99,9%) lag på SiO 2 lag. Brug en langsom aflejring på 10 nm / min med en aflejring tryk på 2 x 10 -2 mbar.
- Brug hovedparten Fe (99,9%) som en kilde ved anvendelse af en E-beam fordamper og deponere en 1 nm tykt Fe lag på Al 2 O 3 lag. Brug en langsom deposition på ~ 0,1 nm / sek med en deposition tryk på 5 × 10 -6 Torr. Skær Fe / Al 2 O 3 / SiO2 / Si wafer til en 28 mm x 15 mm størrelse ved hjælp af en diamant Scriber.
Bemærk: Afhængigt af den ønskede størrelse VAMWCNT array, kan størrelsen af Fe / Al 2 O 3 / SiO2 / Si wafer varieres.
- Syntese af MWCNT array ved TCVD og forberedelse af fritstående MWCNT skove.
- Placer Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si wafer centralt i et kvarts båd, der har dimensioner på 120 mm × 30 mm.
- Placer kvartsskål inde i 2-inch kvartsrør af TCVD setup (figur 1A).
- Injicer 900 sccm Ar gas i 10 minutter under omgivelsesbetingelser for at fjerne luft og fylde 2 tommer kvartsrør med Ar.
- Injicer 600 sccm Ar gas og 400 SCCM af H2 gas og samtidig øge temperaturen i ovnen fra 25 ° C til 750 ° C i 30 min.
- Indsprøjtes 100 SCCM af Ar gas og 400 SCCM af H 2 gas ved 750 ° C i 10 min for at formulere Fe nanopartikler som rødder MWCNTs.
- Injicer 100 sccm Ar gas, 368 SCCM af H2-gas, og 147 SCCM af ethylen (C 2 H 4) gas ved 750 ° C i 280 min. Samtidig anvendelse Joule-opvarmning ved indgangen kvartsrøret af wolframfilament (spænding: 0,8 V, strøm: 15 A) til at fremme nedbrydning af C 2 H 4 gas til at fungere som en carbonkilde. Disse carbonkilder er bundet til Fe nanopartikler Si wafers og transformeret ind CNTs.
- Stop injektion af H2-gas og C 2 H 4 gas, og sluk for ovnen. Under denne procedure kontinuerligt injicere 100 sccm Ar-gas, indtil temperaturen af skiven falder til under 60 ° C.
- Tag MWCNTs på waferen. Forsigtigt adskille MWCNT matrix fra skiven for at opnå fritstående MWCNT skove (længde: 3-6 mm) (figur 1B).
- Fremstilling af kemiske brændstoffer
- Forbered en picrinsyre (2,4,6-trinitro phenol) opløsning og natriumazid (NaN3).
- Inddampes picrinsyre opløsning til opnåelse af picrinsyre pulver (1 atm, 25 ° C, i 24 timer). Mål 6 g af picrinsyre pulver og opløses i 100 ml acetonitril (262 mM).
- Mål 6 g af natriumazid pulver og opløses i 100 ml deioniseret vand (DI) (923 mM).
- Forbered en picrinsyre (2,4,6-trinitro phenol) opløsning og natriumazid (NaN3).
- Syntese og karakterisering af hybrid kompositter via våd imprægnering
- Måle massen af en individuel MWCNT skov med en mikrovægt og bekræft linie strukturer MWCNT skov ved SEM (figur 4A). Brug en spænding på 15 kV og en forstørrelse på 1,200X. Kontroller, om linie struktur fastholdes i hele MWCNT skov.
- Tilsæt 25 pi 262 mM pikrinsyre løsning på top af MWCNT skov for at tillade brændstof at trænge ind i porerne af skoven. Lad prøven som er i 30 minutter for at krympe filmen array, og tillade picrinsyre fuldt trænge ind i porerne, indtil al acetonitril er fordampet fra skoven (figur 1C).
Bemærk: Afhængigt af målet forholdet mellem den kemiske brændstof og MWCNT array, ændre koncentrationen og mængden af det pikrinsyre løsning. - Fordyb pikrinsyre-belagt MWCNT skove i 25 pi 923 mM natriumazid til dannelse 2,4,6-trinitro natriumphenoxid og brint azid (brændstof lag) ved våd imprægnering. Lad prøven i 30 minutter, indtil alle opløsningsmidler fordampe.
Bemærk: Afhængigt af målet forholdet mellem den kemiske brændstof og MWCNT array, kan du ændre koncentrationen og mængden af det natriumazid løsning. - Måle massen af en individuel hybrid sammensat af brændstof og MWCNTs med en mikrovægt og sammenligne den endelige masse at beregne masseforholdet mellembrændstof lag og MWCNTs.
hvor M H og M m er massen af den enkelte hybrid komposit og individuel MWCNT film hhv. - Bekræft aligned strukturer hybrid komposit af brændstof og MWCNTs ved SEM (figur 5A). Ifølge producentens anvisninger, mindske presset for driftsbetingelserne, og hæve forstørrelsen indtil kemikaliet brændstof sammenlægning klart observeret i justeret MWCNT skov. Kontrollér formen på brændstof sammenlægning på MWCNTs.
3. Fremstilling af Thermopower Wave Generator (figur 2)
- Fastgør kobber bånd til begge ender af en glasplade til at fungere som elektroder til forbindelse med et oscilloskop, som måler direkte udgangsspænding fra thermopower bølge.
- Tilslut kobber bånd til begge ender af sammensatte hybrid via en sølv paste dråbe. Lad prøven indtil sølvpasta bliver hård og forbindelsen er fast.
- Brug et multimeter til at måle den elektriske modstand af den hybride komposit.
4. Måling af Thermopower Waves (figur 3)
- Inde i en polycarbonat kammer, fastsætte thermopower bølge generator på den optiske bord med klemmer for sikkerhed.
- Brug krokodillenæb at forbinde kobber elektroder til oscilloskopet til måling af udgangsspændingen.
- Oprette en højhastigheds-mikroskopi-system [komponenter: en høj hastighed kamera (> 5.000 billeder / sek), makroobjektiv (105 mm / f2.8 objektiv), og en LED-lampe] for at optage forbrænding formering fra generatoren. Placer og tænde LED lampe til klar optagelse med billeder i høj opløsning foran thermopower bølge generator. Indstil optagehastighed over 5.000 billeder / sek.
- Placer en optisk pyrometer på en bestemt position til at registrere de realtid ændringer i temperaturenaf hybrid komposit.
- Anvende enten laser bestråling eller Joule-opvarmning til at antænde den kemiske brændstof i hybrid komposit.
- Fokus laser (<1.000 MW) på en bestemt position på hybrid komposit. Fastholde fokus i et par sekunder, indtil forbrændingen er påbegyndt i thermopower bølge generator.
- Forbered en høj strøm strømforsyning og en nikkel-krom tråd. Slut ledningen til en høj-aktuelle strømforsyning (driftsbetingelser: 5 V og 3 A), og opvarme en nikkel wire. Gør blid kontakt mellem den opvarmede nikkel tråd og kemisk brændstof på den hybride sammensatte indtil forbrændingen er påbegyndt i thermopower bølge generator.
- Tænd setup målingen, der består af en high-speed mikroskopi-system, et oscilloskop og en optisk pyrometer, når en thermopower bølge er lanceret af generatoren.
- Opsætning optagelsen frame rate (5.000 billeder / sek) i high-speed kamera. Trigger optagelse i starten af thermopower bølgeudbredelse. Optag snapshots i højhastighedsnet fotografiske billeder med højhastighedstog mikroskopi-system, og udtrække antallet af optagede rammer fra start til slut af thermopower bølgeudbredelse (total #number af rammer).
- Optag spændingssignalet fra start til slut af thermopower bølgeudbredelse ved hjælp af oscilloskopet. Uddrag udgangsspændingen puls (V).
- Fokus den optiske pyrometeret på det pågældende position på et hybrid komposit, hvilket indikerer målområderne, og måle dynamiske ændringer i temperatur (° C).
- Beregn hastigheden af reaktionen formering ved at udtrække reaktionen forreste position på de enkelte rammer i høj hastighed mikroskopi system.
hvor l h er den samlede længde af den hybride sammensatte, n f er antallet af optagede rammer fra start til slut af thermopower bølgeudbredelse, og n o </ Sub> er optagelsen frame rate. - Uddrag udgangsspændingernes data fra oscilloskopet og beregne den maksimale spidsspænding samt den specifikke strøm fra udgangsspændingen puls. Brug den elektriske modstand, der blev målt i trin 3.
- Uddrag temperaturændringen med den optiske pyrometer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den linie MWCNT array, som en kerne nanostruktureret materiale til thermopower bølger, blev syntetiseret ved TCVD, 11-13 som vist i figur 4A. Diameter som dyrkede MWCNTs er 20-30 nm (figur 4B). Den linie hybrid sammensætning af picrinsyre / Natriumazid / MWCNTs er vist i figur 5A. Denne komposit blev syntetiseret ved den våde imprægneringsprocessen, 14 som beskrevet i protokollen sektion. For at danne en grænseflade mellem den kemiske brændstof og MWCNTs blev picrinsyre opløst i acetonitril (en lav overflade-energi opløsningsmiddel), for at tillade penetration inde i MWCNT array. Endvidere blev mens natriumazid opløst i DI vand til dannelse af et tyndt lag for let antændelse. Den kemiske brændstof var sammensat af to kemikalier: den vigtigste kemiske brændstof var picrinsyre med en høj enthalpi forbrændingsvarme (2,570 kJ / mol), mens natriumazid blev anvendt som brændstof til den første reaktion på grund af sin lave activation energi (40 kJ / mol). 5 Desuden blanding af picrinsyre / natriumazid dannet en endimensional struktur, forstærket forbrænding, som vist i figur 5B. 15 Efter fremstillingen af thermopower bølgegeneratoren, high-speed mikroskopi-system optaget forbrænding formering (figur 6). Joule-opvarmning antændte forbrænding, og det blev hurtigt omdannet som selvpropagerende kemisk reaktion langs linie retning MWCNTs (figur 6a og 6b). Samtidig samtidig omdannelse-som elektrisk energi en udgangsspænding-blev opnået ved den synkroniserede oscilloskop (figur 7). Den nikkel-krom tråd anvendes til tænding kontaktede brændstof forbindelsen på composite hybrid, og der var ingen forstyrrelse fra det eksterne elektriske signal. Som et kontrolforsøg blev kemisk forbrænding uden brug af MWCNT matrix undersøges via samig procedurer. Det blev bekræftet, at der ikke var nogen specifik retning for forbrænding. Endvidere blev elektrisk energiproduktion ikke observeret, når MWCNT matrix ikke blev brugt.
Figur 1. Syntese af hybrid kompositter af kemisk brændstof og MWCNTs. (A) TCVD oprettet. (B) ordningen for en fritstående MWCNT film. (C) Ordning af hybrid kompositter, syntetiseret af våd imprægnering proces. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2. Fremstilling af thermopower bølgegenerator prøve. Skub glas og sølv pasta-kobber tape eranvendes som et substrat og forbinder node hhv. Hybrid kompositter af brændstof lag og centrale materialer anvendes som thermopower bølge kilder. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 3. Eksperimentel måling oprettet for thermopower bølger. (A) Ordning af den synkroniserede eksperimentelle oprettet, viser charge bevægelser via thermopower bølger. (B) Fast forsøgsopstilling i en polycarbonat kammer, bestående af en high-speed mikroskopi-system, et oscilloskop, en optisk pyrometer, og et tændingssystem. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 4. Udvidet MWCNTs. (A) SEM billede af en MWCNT vifte syntetiseret af TCVD. (B) TEM billede af en individuel MWCNT. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 5. Udvidet hybrid kompositter af kemisk brændstof og MWCNT matrix. SEM billeder af (A) detaljerede strukturer af picrinsyre / natriumazid / MWCNT komposit, og (B) endimensional aggregering af picrinsyre / natriumazid efter opløsningsmiddelafdampning. Venligst klik her for en større version af t hans figur.
Figur 6. Termisk bølgeudbredelse via thermopower bølger, målt ved hjælp af high-speed mikroskopi-system (5.000 billeder / sek). Snapshots af forbrænding formering ledsaget af elektrisk energiproduktion i (A) enkelt polaritet og (B) uorganiseret polaritet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. Elektrisk energi fra thermopower bølger. Udgangsspændinger i (A) enkelt polaritet, og (B) uorganiseret polaritet.e.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 8. Skema af strukturelle ændringer i kemiske blandinger af picrinsyre / natriumazid brændstof. (A, B) Kemiske strukturer af picrinsyre / natriumazid og natrium 2,4,6-trinitrophenolate / hydrogenazid efter udveksling Na + og H + . (C) Skematisk af kemiske struktur af 2,4,6-trinitrophenolate / hydrogenazid i bestilt, endimensional struktur. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
| Thermopower bølger i en enkelt polaritet | Thermopower bølger i et uordnet polaritet | ||||
| Udgangsspænding | Brændstof / MWCNT forhold | Power (kW / kg) | Udgangsspænding | Brændstof / MWCNT forhold | Power (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 |
Tabel 1. Oversigt over udgangsspænding, brændstof / MWCNT masseforhold og specifik effekt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollerne af thermopower bølge eksperimenter involverer vigtige skridt, der giver ideelle termisk bølgeudbredelse samt elektrisk energiproduktion. Først den særlige situation for tænding, og den tilsvarende reaktion overførsel er betydelige faktorer i at styre energi konvertering fra thermopower bølger. Tænding i den ene ende af den hybride sammensatte lanceret styret forbrænding langs grænsefladerne mellem de centrale materialer og kemiske brændstoffer i én retning. Men tænding på andre position genereret tovejs thermopower bølger, der blev overført til begge ender, hvilket resulterer i annullering af ladningsbærere i modsatte retninger samt uordnet termisk transport inde kernematerialerne. Som vist i figur 7A, tænding ved den ene ende er fremstillet af elektrisk energi af enkelt polaritet; dog tænding i centrum position resulterede i to retninger forbrænding formering, og uordnet polaritet i output voltalder (figur 7B). Desuden enkelt polaritet i thermopower bølger resulterede i en peak output spænding, der var mere end fem gange, at i tilfælde af uordnede polaritet på grund af den accelererede ladning overførsel af vedvarende termisk bølger uden annullering af afgifter.
Masseforholdet mellem den kemiske brændsel og core mikro / nanomaterialer kan bestemme overordnede egenskaber thermopower bølger. 16,17 Som nævnt masseforhold er en styrende faktor på grund af den varierende koncentrationen og mængden af opløsning, der anvendes. I denne undersøgelse korrekte grænsefladeegenskaber områder mellem den kemiske brændsel og kernematerialet fremmes en stabil kædereaktion langs grænsefladen og forudsat kontrolleret forbrænding formering, hvilket resulterer i en effektiv energioverførsel (figur 6A). Tværtimod er det vanskeligt at opretholde en stabil kædereaktion med for meget kemisk brændstof. I tilfælde af thermopower bølger, kernematerialet med højvarmeledningsevne forsyner forvarmning termisk energi til kemisk brændstof i grænseflademidler områder og fremmer forbrændingen af tilstødende brændstof ved at overvinde aktiveringsenergien langs grænsefladen. Men når der anvendes overskud kemisk brændsel, uanset den termiske transport langs kernematerialer, den kemiske brændstof, der er langt fra kernematerialet kan antændes på grund af tilfældigt opformeret reaktion inde i kemisk brændstof snarere end styret-kædereaktion på grænsefladen (figur 6B). Dette resulterer i forbrændingen i flere retninger samt uordnede polaritet. De eksperimentelle resultater, der sammenligner de optimale masseforhold og overdreven kemiske brændstof proportioner er opsummeret i tabel 1. En optimal masseforhold på 4,19 produceret over 1000 mV, mens en overdreven masseforhold mellem 36.59 genereres kun omkring 35 mV.
Desuden kan specifikke modifikation af den kemiske brændstofsammensætning yderligere enhance energiomsætning i thermopower bølge. Dybest set, at sammensætningen kemisk brændstof og masseforhold i hybride kompositter har en stærk indflydelse på forbrændingen formering, samt elektrisk energiproduktion fra thermopower bølger. For det første kan endimensionale aggregeringer af brændstofblandinger inde MWCNTs realiseres ved en særlig kombination af en primær brændsel og natriumazid (figur 5). For eksempel var der ingen linje sammenlægning af brændstof blandinger af picramide og natriumazid. Men når picrinsyre og natriumazid blev blandet og inddampet under vådimprægnering proces blev en ny struktur af et kemisk brændstof, fremmet styret kemisk reaktion syntetiseres som vist i figur 8. I picrinsyre azid blandingen syre og natriumindhold, H + ion i picrinsyre blev udvekslet med Na + ion i natriumazid, danner 2,4,6-trinitro natriumphenoxid og hydrogenazid (H-N 3) i brændstoffet lag (Figure 8a og 8b). 18 Samtidig stabling, som er fremkaldt af van der Waals kræfter mellem benzenringene, bygget en-dimensionelt aggregerede strukturer med former, der ligner en cylinder 19,14 (figur 8C). Det blev bekræftet, at på grund af den negative enthalpi for dannelse af nye kemiske forbindelser og endimensionelt aligned strukturer kemiske brændsler udgangsspændingen generation og forbrænding hastighed fra thermopower bølger blev dramatisk forstærket af mere end 10 gange. 20
Thermopower bølger kan give en forståelse af den kemisk-termisk-elektrisk konvertering energi i mikro / nanostrukturerede materialer. Hidtil er de fleste af forskningen i forbrænding i mikro / nanostrukturerede materialer har fokuseret på konverteringen fra kemisk til termisk energi, eller fra kemisk til mekanisk energi; nogle eksempler på disse anordninger omfatter nanothermites ogmikroaktuatorer. Thermopower bølger kan udvide forståelsen af energi konverteringer med behandlingen af dynamiske generation elektrisk energi. Desuden thermopower bølger har brede anvendelsesmuligheder. Som vist i tabel 1, er effekttætheden af thermopower bølger i en hybrid komposit ganske imponerende i forhold til andre traditionelle fremgangsmåder. Således kan thermopower bølger anvendes som en kraftig energikilde til miniaturiserede enheder. Eftersom thermopower bølger er i stand til direkte at konvertere både spildvarme og brændsel til elektrisk energi, det kan udvikles som en ny type affald energiudnyttelse system. Desuden kan termisk bølgeudbredelse ved grænsefladen mellem den kemiske brændsel og mikro / nanostrukturerede materialer anvendes til fast materiale syntese via forbrænding. Der er imidlertid en begrænsning overvindes. I øjeblikket thermopower bølger kun frembringe en pulserende produktion af elektrisk energi på grund af forbrænding. Derfor er en energi høst metode tilpulsen energiproduktion fra thermopower bølger kan være behov for i fremtiden. Udviklingen af et særligt system, der gentagne gange leverer en kemisk brændstof til de centrale materialer kan være nyttigt for applikationer, der anvender thermopower bølger.
Sammenfattende har vi beskrevet metoder til at syntetisere et hybrid komposit af en kemisk brændsel og mikro- / nanomaterialer, og at fremstille en thermopower bølgegenerator. Den eksperimentelle setup for studiet af thermopower bølger er blevet forklaret i detaljer. Desuden til vigtige strategier skal vedtages for yderligere forbedring af thermopower bølger er blevet demonstreret sammen med eksperimentelle data. Vi forventer, at dette arbejde vil bidrage til forskningsområder relateret til thermopower bølger, samt til udviklingen af fremtidige applikationer udnytter den kemisk-termisk-elektrisk konvertering energi inde mikro- / nanomaterialer i forbrændingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Basic Science Research Program gennem National Research Foundation Korea (NRF), der finansieres af Ministeriet for Undervisning, Videnskab og Teknologi (NRF-2013R1A1A1010575) og ved Nano F & U-program gennem Korea Science and Engineering Foundation finansierede af Ministeriet for Undervisning, Videnskab 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 |
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).
