Waiting
Login processing...

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

Engineering

Upprättande och utvärdering av Hybrid Composites i Chemical Bränsle och Flerväggiga kolnanorör i studien av Thermopower Vågor

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

Abstract

När en kemisk bränsle vid en viss position i en hybrid komposit av bränslet och en mikro / nanostrukturerade material antänds, sker kemiska förbränning längs gränsytan mellan materialen bränsle och kärn. Samtidigt dynamiska förändringar i termiska och kemiska potentialer över mikro / nanostrukturerade material resulterar i samtidig elektrisk energiproduktion inducerad av laddningsöverföring i form av en hög utspänning puls. Vi visar hela proceduren en thermopower våg experiment från syntes till utvärdering. Termisk kemisk ångavsättning och den våta impregneringsprocessen är respektive användes för syntesen av en flerväggig Nanorör array och en hybrid komposit av pikrinsyra / natriumazid / flerväggiga kolnanorör. De preparerade hybrid kompositer används för att tillverka en thermopower våg generator med anslut elektroder. Förbränningen av hybridkomposit initieras av laseruppvärmning eller Joule-värme, och the motsvarande förbrännings förökning, direkt elektrisk energi generation, och realtidstemperaturförändringar mäts med hjälp av en höghastighets mikroskopi systemet, ett oscilloskop och en optisk pyrometer, respektive. Vidare att de avgörande strategier antas i syntesen av hybridkomposit och initiering av deras förbränning som ökar den totala överförings thermopower vågkraft föreslås.

Introduction

Kemiska bränslen har mycket hög energitäthet och har ofta använts som användbara energikällor i ett brett spektrum av applikationer från mikro att makrosystem. 1 I synnerhet har många forskare försökt använda kemiska bränslen som energikälla för nästa generations mikro / nanosystem -baserade teknologier. 2 På grund av svårigheten att integrera energiomvandlingskomponenter i extremt små utrymmen i mikro / nanokomponenter, det finns grundläggande begränsningar för omvandling av kemiska bränslen till elektrisk energi. Därför har förbränning av kemiska bränslen främst använts för produktion av kemisk eller mekanisk energi i mikro / nanokomponenter såsom nanothermites eller mikromanövreringsdon. 1,3

Thermopower vågor-en nyutvecklad energiomvandling koncept har rönt stor uppmärksamhet som en metod för att omvandla den kemiska energin i ett bränsle direkt till elektrisk eneRGY utan att använda några konverterings komponenter. 4,5 Thermopower vågor kan genereras med en hybrid komposit av en kemikalie bränsle och en mikro / nanostrukturerade material. 5 När den kemiska bränslet vid en viss position i en hybrid komposit antänds, sker kemiska förbränning tillsammans gränssnittet mellan den kemiska bränslet och mikro / nanostrukturerade material. Samtidigt dynamiska förändringar i termiska och kemiska potentialer över kärn mikro / nanostrukturerade material resultatet i samtidig elektrisk energiproduktion inducerad av laddningsöverföring i form av en hög utspänning puls. Det har bevisats att olika mikro / nanostrukturerade material såsom flerväggiga kolnanorör (MWCNTs) 4-6 och ZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 Te 3, 9 och MnO 2 10 mikro / nanostrukturerade material tillåter hybrid kompositer att utnyttja thermopower vågor och uppvisar kemisk-termisk-electrical energiomvandling. Specifikt kärnmaterial med hög Seebeck koefficient möjliggör generering av höga utspänningar enbart från fortplantas förbränning. Men andra parametrar som rör identiska kompositer, såsom blandning av kemiska bränslen, massförhållandet bränsle / core-material, tillverkningsprocessen, och tänd villkor kritiskt påverkar de övergripande egenskaper thermopower vågor.

Häri visar vi hur tillverkningsprocesserna, bildandet av en linje kemiska bränsle, och massförhållandet / kärnmaterial bränsle påverkar thermopower våg prestanda. På grundval av en MWCNT array tillverkas genom termisk kemisk ångdeponering (TCVD), visar vi hur en hybrid komposit av en kemiskt bränsle och MWCNTs är förberedd för thermopower våg energiproduktion. Design av experimentuppställning som möjliggör utvärdering av energiomvandling införs tillsammans med motsvarande experimentella mätningar för processer såsom förbrännings propagatipå och direkt elektrisk energiproduktion. Dessutom visar vi att polariteten fördelning beskrivna av den dynamiska utspänning och specifik topp bestämmer ström avgörande elektrisk energiomvandling. Denna studie kommer att ge konkreta strategier för att öka energiproduktionen, och kommer att bidra till att förstå de bakomliggande fysiken av thermopower vågor. Dessutom kommer tillverkningsprocessen och experiment som beskrivs här hjälpa till att utvidga forskningsmöjligheter på thermopower vågor, samt på kemisk-termisk-elektrisk energiomvandling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntes av vertikalt inriktade flerväggiga kolnanorör (VAMWCNTs)

  1. Framställning av skivan och avsättning av katalysatorskikt
    1. Bered en n-typ (100) Si-skiva.
    2. Deponera en 250-nm-tjockt SiO 2 lager på Si wafer genom termisk oxidation eller alternativa metoder såsom sputtering. Injicera 200 sccm av O 2 för 3 tim 20 min vid 1000 ° C i en horisontell ugn.
    3. Använd bulk Al 2 O 3 (99,9%) som en multi-sputter (RF ström: 1.000 W) källa och deponera en 10 nm tjock Al 2 O 3 (99,9%) skikt på SiO 2 lager. Använd en långsam avsättningshastighet av 10 nm / min med en avsättnings tryck av 2 x 10 -2 mbar.
    4. Använd bulk Fe (99,9%) som en källa genom att använda en E-stråleindunstare, och deponera ett 1 nm tjockt Fe-lager på Al-2 O 3-skiktet. Använd en långsam deponeringstakt ~ 0,1 nm / sek med en avsättning tryck på 5 × 10 -6 Torr. Skär Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si-skiva till en mm storlek 28 mm × 15 med hjälp av en diamant ritsnål.
      Obs: Beroende på den önskvärda storleken på VAMWCNT array, kan storleken på den Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si-skiva varieras.
  2. Syntes av MWCNT array av TCVD och beredning av fristående MWCNT skogar.
    1. Placera Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si wafer centralt i en kvarts båt som har dimensionerna 120 mm × 30 mm.
    2. Placera kvartsbåt innanför 2-tums kvarts tub av TCVD setup (Figur 1A).
    3. Injicera 900 sccm av Ar-gas under 10 minuter under omgivningsbetingelser för att avlägsna luft och fylla 2-tums kvarts tub med Ar.
    4. Injicera 600 sccm av Ar-gas och 400 sccm av H2-gas och samtidigt öka temperaturen i ugnen från 25 ° C till 750 ° C i 30 min.
    5. Injicera 100 sccm av Ar-gas och 400 sccm av H2 gas vid 750 ° C under 10 min för att formulera Fe nanopartiklar som rötter MWCNTs.
    6. Injicera 100 sccm av Ar-gas, 368 sccm av H2-gas, och 147 sccm av eten (C 2 H 4) gas vid 750 ° C under 280 min. Samtidigt tillämpa Joule-uppvärmning vid ingången till kvartsröret genom volframtråd (spänning: 0,8 V, ström: 15 A) för att främja nedbrytningen av C 2 H 4 gas för att verka som en kolkälla. Dessa kolkällor är fästa Fe nanopartiklar på Si wafers och omvandlas till cnts.
    7. Stoppa injektion av H2 gas och C 2 H 4 gas, och stäng av ugnen. Under detta förfarande kontinuerligt injicera 100 sccm av Ar-gas tills temperaturen av skivan sjunker under 60 ° C.
    8. Ta ut MWCNTs på skivan. Försiktigt separera MWCNT arrayen från skivan för att erhålla fristående MWCNT skogar (längd: 3-6 mm) (Figur 1B).

  1. Beredning av kemiska bränslen
    1. Bered en pikrinsyra (2,4,6-trinitro fenol) -lösning och natriumazid (NaN3).
      1. Indunsta pikrinsyra lösning för erhållande pikrinsyra pulver (1 atm, 25 ° C, under 24 h). Mät 6 g av pikrinsyra pulver och lös upp i 100 ml acetonitril (262 mM).
      2. Åtgärd 6 g av natriumazid pulver och lös upp i 100 ml avjoniserat (DI) vatten (923 mM).
  2. Syntes och karakterisering av hybrid kompositer via våtimpregnering
    1. Mäta massan av en enskild MWCNT skog med en mikrovåg och bekräfta de inriktade strukturer MWCNT skogen vid SEM (Figur 4A). Använd en spänning på 15 kV och en förstoring av 1,200X. Kontrollera om inriktade strukturen bibehålls över hela MWCNT skogen.
    2. Lägg 25 ^ 262 mM pikrinsyra lösning på top av MWCNT skogen för att medge bränslet att tränga in i porerna i skogen. Låt provet som är i 30 min för att krympa filmen array, och låta pikrinsyra att helt tränga porerna tills all acetonitril har avdunstat från skogen (Figur 1C).
      Anm: Beroende på målet förhållandet mellan den kemiska bränsle och MWCNT array, ändra koncentrationen och mängden av den pikrinsyra lösningen.
    3. Fördjupa pikrinsyra belagda MWCNT skogar i 25 ^ 923 mM natriumazidlösning att bilda 2,4,6-trinitro natriumfenoxid och väteaziden (bränslelager) med våta impregnering. Låt provet i 30 minuter tills alla lösningsmedel avdunsta.
      Anm: Beroende på målet förhållandet mellan den kemiska bränsle och MWCNT array, kan du ändra koncentrationen och mängden av den natriumazidlösning.
    4. Mäta massan av en individuell hybrid komposit av bränsle och MWCNTs med en mikrovåg, och jämför den slutliga massan för att beräkna massförhållandetbränslelager och MWCNTs.
      Ekvation 1
      där M h och M m är massan hos den enskilda hybridkomposit och individuell MWCNT film, respektive.
    5. Bekräfta de inriktade strukturer hos hybrid komposit av bränsle och MWCNTs genom SEM (figur 5A). Enligt tillverkarens anvisningar, sänka trycket för de driftförhållanden, och höja förstoringen tills den kemiska bränsle aggregering tydligt observeras i linje MWCNT skogen. Kontrollera formen på bränsle aggregering på MWCNTs.

3. Tillverkning av Thermopower Wave Generator (Figur 2)

  1. Fäst koppar band till båda ändarna av en glasskiva för att verka som elektroder för anslutning med ett oscilloskop, som mäter likspänningen som matas ut från thermopower vågen.
  2. Anslut koppar band till båda ändarna av hybridkomposit via en silver paste droppe. Låt provet tills silverpastan blir hård och anslutningen är fast.
  3. Använd en multimeter för att mäta det elektriska motståndet hos hybrid kompositen.

4. Mätning av Thermopower Waves (Figur 3)

  1. Inne i en polykarbonat kammare, fixa thermopower våg generator på optiska bord med klämmor för säkerhet.
  2. Använd krokodilklämmor för att ansluta kopparelektroderna till oscilloskopet för att mäta utspänningen.
  3. Inrätta en höghastighets mikroskopi systemet [komponenter: en höghastighetskamera (> 5000 bilder / sek), makroobjektiv (105 mm / f2,8-objektiv), och en LED-lampa] för att spela in förbränningsutbredning från generatorn. Placera och slå på LED-lampan för tydlig inspelning med högupplösta bilder framför thermopower våggeneratorn. Ställ in inspelningshastighet över 5.000 bilder / sek.
  4. Lägg ut en optisk pyrometer vid en viss position för att registrera realtidsförändringar i temperaturav hybridkomposit.
  5. Applicera antingen laserstrålning eller Joule värme för att antända den kemiska bränslet i hybrid komposit.
    1. Fokus laser (<1,000 mW) vid en specifik position på hybridkomposit. Behåll fokus i några sekunder tills förbränningen initieras i thermopower våggeneratorn.
    2. Förbered en hög ström strömförsörjning och ett nickelkromtråd. Anslut kabeln till en hög ström strömförsörjning (driftsförhållanden: 5 V och 3 A), och värma en nickeltråd. Gör skonsam kontakt mellan den uppvärmda nickeltråd och kemisk bränsle på hybridkomposit tills förbränningen initieras i thermopower våggeneratorn.
  6. Slå på mätning setup, som består av en höghastighets mikroskopisystem, ett oscilloskop, och en optisk pyrometer, när en thermopower våg lanseras av generatorn.
    1. Inställning inspelningsbildhastighet (5.000 bilder / sek) i höghastighetskamera. Trigger inspelning i början av thermopower vågutbredning. Rekord snapshots i höghastighets fotografiska bilder med hög hastighet mikroskopi systemet, och extrahera antalet inspelade bildrutor från början till slut av thermopower vågutbredning (total nr NUMBER bildrutor).
    2. Anteckna spänningssignalen från start till slut av thermopower vågutbredning genom att använda oscilloskopet. Extrahera utspänningen puls (V).
    3. Fokusera optisk pyrometer vid specifik position på en hybridkomposit, vilket indikerar målområdena, och mäta dynamiska förändringar i temperatur (° C).
  7. Beräkna hastigheten för reaktions förökning genom att extrahera reaktions främre position vid enskilda bildrutor i höghastighets mikroskopi systemet.
    Ekvation 2
    där, l h är den totala längden på hybridkomposit, är n f antalet inspelade bildrutor från början till slut av thermopower vågutbredning, och n o </ Sub> är inspelningsbildhastighet.
  8. Utdrag utspänningen data från oscilloskopet och beräkna den maximala toppspänningen samt den specifika effekten från utspänningen pulsen. Använd det elektriska motståndet som uppmättes i steg 3.
  9. Utdrag temperaturförändringen med hjälp av optisk pyrometer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den inriktade MWCNT arrayen, som ett kärnnanostrukturerat material för thermopower vågor, syntetiserades genom TCVD, 11-13 såsom visas i fig 4A. Diametern på så odlade MWCNTs är 20-30 nm (Figur 4B). Den inriktade hybridkomposit av pikrinsyra / natrium azid / MWCNTs visas i figur 5A. Denna komposit syntetiserades med den våta impregneringsprocessen, 14 såsom beskrivs i protokollet sektion. För att bilda ett gränssnitt mellan den kemiska bränslet och MWCNTs ades pikrinsyra upplöst i acetonitril (en låg-yt-energi lösningsmedel), för att tillåta penetrering inuti MWCNT arrayen. Vidare tillsattes medan natriumazid upplöst i avjoniserat vatten för att bilda en tunn beläggning för enkel antändning. Den kemiska bränslet var sammansatt av två kemikalier: huvud kemiskt bränsle var pikrinsyra med en hög entalpi av förbränningen (2570 kJ / mol) medan natriumazid användes som bränsle för den första reaktionen på grund av dess låga AKTIVERAjonenergi (40 kJ / mol). 5 Vidare blandningen av pikrinsyra / natriumazid bildas en en-dimensionell struktur som amplifierade förbränningen, såsom visas i fig 5B. 15 Efter tillverkningen av thermopower våggeneratorn, höghastighetståg mikroskopi systemet inspelade förbrännings förökning (figur 6). Joule-uppvärmning antänds förbränningen, och det var snabbt förvandlas som en självföröknings kemisk reaktion längs linje riktning MWCNTs (figur 6a och 6b). Samtidigt samtidig elektrisk energiomvandling-som en utspänning-erhölls med den synkroniserade oscilloskop (Figur 7). Den nickel-kromtråd som används för antändning endast kontaktade bränsleföreningen på hybridkomposit, och det fanns inga störningar från den externa elektriska signalen. Som ett kontrollexperiment, var kemisk förbränning utan att använda MWCNT arrayen undersöktes via samig förfaranden. Det bekräftades att det inte fanns någon särskild riktning för förbränning. Dessutom var elektrisk energiproduktion inte observeras när MWCNT arrayen inte användes.

Figur 1
Figur 1. Syntes av hybrid kompositer av kemiska drivmedel och MWCNTs. (A) TCVD inrättas. (B) Schema för ett fristående MWCNT film. (C) System för hybrid kompositer, syntetiseras av våta impregneringsprocess. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Tillverkning av thermopower våggeneratorns prov. Skjut glas och silver paste-kopparband äranvänds som ett substrat och anslutningsnod, respektive. Hybrid kompositer av bränslelager och kärnmaterial används som thermopower våg källor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Experimentell mätning inställd för thermopower vågor. (A) ordning för den synkroniserade experimentella inrättat, visar laddningsrörelser via thermopower vågor. (B) Verklig experimentuppställning i ett polykarbonatkammare, som består av ett höghastighetståg mikroskopi systemet, ett oscilloskop, en optisk pyrometer, och ett tändsystem. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 4. Utökade MWCNTs. (A) SEM bild av en MWCNT array syntetiseras av TCVD. (B) TEM bild av en enskild MWCNT. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. Utökade hybrid kompositer av kemiska drivmedel och MWCNT array. SEM bilder av (A) detaljerade strukturer av pikrinsyra / natriumazid / MWCNT komposit, och (B) endimensionell aggregering av pikrinsyra / natriumazid efter lösningsmedelsförångning. Vänligen klicka här för att se en större version av t hans gestalt.

Figur 6
Figur 6. Värme vågutbredning via thermopower vågor, mätt med hjälp av höghastighets mikroskopi systemet (5000 bilder / sek). Ögonblicksbilder av förbrännings förökning åtföljs av elenergi generation (A) enda polaritet och (B) oordnad polaritet. Klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figur 7
Figur 7. Elektrisk energiproduktion från thermopower vågor. Utspänningar i (A) och samma polaritet, och (B) oordnad polaritet.e.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. Schema av strukturella förändringar i kemiska bränsleblandningar av pikrinsyra / natriumazid. (A, B) Kemiska strukturer av pikrinsyra / natriumazid och natrium 2,4,6-trinitrophenolate / väteaziden efter utbyta Na + och H + . (C) Schematisk bild av kemiska strukturen hos 2,4,6-trinitrophenolate / väteaziden i beställts, endimensionell struktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Thermopower vågor i en enda polaritet Thermopower vågor i en oordnad polaritet
Utspänning Bränsle / MWCNT förhållandet Effekt (kW / kg) Utspänning Bränsle / MWCNT förhållandet Effekt (kW / kg)
(MV) (MV)
1062 4,19 417,72 35 36,59 0,11
926 4,19 30,57 37 36,59 0,027
1980 4,19 143,6 30 36,59 0,016

Tabell 1. Sammanfattning av utspänning, bränsle / MWCNT massförhållande och specifik effekt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen från thermopower wave experiment involverar kritiska steg som möjliggör perfekt termisk vågutbredning samt elektrisk energiproduktion. Först den specifika positionen för antändning och motsvarande reaktion överföringen är betydande faktorer i att styra energiomvandling från thermopower vågor. Antändning vid en ände av hybridkomposit lanserade styrd förbränning utmed gränssnitten mellan kärnmaterialen och kemiska drivmedel i en riktning. Men tändning på någon annan position genererade dubbelriktade thermopower vågor som överfördes till båda ändarna, vilket resulterar i uppsägning av laddningsbärare i motsatta riktningar samt oordnade termisk transporter inom kärnmaterial. Såsom visas i fig 7A, tandning vid en ände producerad elenergi av enda polaritet; dock tändning i mittläge resulterade i två riktningar förbränning förökning, och oordnat polaritet i utgångs voltålder (Figur 7B). Vidare enda polaritet i thermopower vågor resulterade i en topp utspänning som var mer än fem gånger så i fallet med oordnade polaritet på grund av den accelererade laddningsöverföring genom kontinuerliga termiska vågor utan indragning av avgifter.

Massförhållandet mellan den kemiska bränsle och kärn mikro / nanomaterial kan bestämma de övergripande egenskaper thermopower vågor. 16,17 Som nämnts är masskvot en kontrollerbar faktor på grund av den varierande koncentrationen och mängden av lösning som används. I denna studie, ordentliga gränsskikts områden mellan den kemiska bränsle och kärnmaterial främjas en stabil kedjereaktion längs gränssnittet och förutsatt kontrollerad förbränning förökning, vilket resulterar i en effektiv energiöverföring (Figur 6A). Tvärtom, är det svårt att upprätthålla en stabil kedjereaktion med för mycket kemiskt bränsle. I fallet med thermopower vågor, kärnmaterialet med högvärmeledningsförmåga levererar förvärmningen värmeenergi för den kemiska bränslet i gränsområdena, och främjar förbränningen av den angränsande bränsle genom att övervinna aktiveringsenergin längs gränsytan. Emellertid, när överskott kemisk bränsle används, oberoende av den termiska transporten längs kärnmaterialen, den kemiska bränsle som är långt från kärnmaterialet kan antändas på grund av den slumpmässigt fortplantas reaktionen inuti den kemiska bränsle snarare än den guidade-kedjereaktion på gränssnittet (Figur 6B). Detta resulterar i förbränning i flera riktningar och oordnade polaritet. De experimentella resultat som jämför de optimala massförhållanden och överdriven kemisk bränsle proportioner är sammanfattade i tabell 1. En optimal massförhållande av 4,19 producerade över 1000 mV, medan en överdriven massförhållande av 36,59 genereras endast ca 35 mV.

Dessutom kan specifika modifieringen av den kemiska bränslekompositionen ytterligare enhance energiomvandling i thermopower vågen. I grund och botten, den kemiska bränslesammansättningen och massförhållandet i hybrid kompositer har ett starkt inflytande på förbrännings förökning, samt elektrisk energiproduktion från thermopower vågor. Först kan endimensionella sammansättningar av bränsleblandningar inne MWCNTs realiseras genom en speciell kombination av en primär bränsle och natriumazid (Figur 5). Till exempel fanns det ingen linje aggregering av bränsleblandningar av picramide och natriumazid. När emellertid pikrinsyra och natriumazid blandades och indunstades under den våta impregneringsprocessen har en ny struktur av ett kemiskt bränsle som främjade guidad kemisk reaktion syntetiseras, såsom visas i fig 8. I pikrinsyra och natriumazid blandningen, den H + jon i pikrinsyra utbyttes med Na + jon i natriumazid, bildar 2,4,6-trinitro natriumfenoxid och väteaziden (H-N 3) i bränslelagret (Figure 8A och 8b). 18 Samtidigt, stapling, vilka induceras av van der Waals-krafter mellan bensenringarna, konstruerade en-dimensionellt aggregerade strukturer, med former som liknar en cylinder 19,14 (figur 8C). Det bekräftades att på grund av den negativa entalpin för bildandet av den nya kemiska föreningen och endimensionellt inriktade strukturer av kemiska bränslen, utspänningen generationen och förbränningshastigheten från thermopower vågor dramatiskt förstärks av över 10 gånger. 20

Thermopower vågor kan ge en förståelse för den kemiska-termisk-elektrisk energiomvandling i mikro / nanostrukturerade material. Hittills har de flesta av forskningen kring förbränning i mikro / nanostrukturerade material har fokuserat på omvandlingen från kemisk till värmeenergi, eller från kemisk till mekanisk energi; några exempel på dessa enheter inkluderar nanothermites ochmikromanövreringsdon. Thermopower vågor kan förlänga förståelse för energiomvandlingar med hänsyn till dynamiska elektrisk energiproduktion. Dessutom thermopower vågor har breda potentiella tillämpningar. Såsom visas i tabell 1, effekttätheten för thermopower vågor i en hybridkomposit är ganska imponerande jämfört med andra konventionella metoder. Sålunda kan thermopower vågor användas som en hög effekt energikälla för miniatyriserade anordningar. Vidare, eftersom thermopower vågor kan direkt konvertera både spillvärme och bränsle till elektrisk energi, det kan utvecklas som en ny typ av avfall energiåtervinningssystem. Vidare kan termisk vågutbredning vid gränsytan mellan den kemiska bränslet och mikro / nanostrukturerade material användas för fast material syntes via förbränning. Det finns dock en begränsning för att övervinna. För närvarande endast thermopower vågor producera en pulsad uteffekt av elektrisk energi på grund av förbränningen. Därför en energiskördmetod förpulsenergiproduktionen från thermopower vågor kan behövas i framtiden. Utvecklingen av ett specifikt system som upprepade gånger levererar en kemisk bränsle till kärnmaterial kan vara användbara för tillämpningar som använder thermopower vågor.

Sammanfattningsvis har vi beskrivit metoder för att syntetisera en hybrid komposit av en kemiskt bränsle och mikro / nanomaterial, och att tillverka en thermopower våggenerator. Den experimentuppställning för studier av thermopower vågor har förklarats i detalj. Dessutom, för att viktiga strategier antas för ytterligare förbättring av thermopower vågor har visats tillsammans med experimentella data. Vi förväntar oss att detta arbete skulle bidra till forskning områden som rör thermopower vågor, samt till utvecklingen av framtida tillämpningar som använder kemisk-termisk-elektrisk energiomvandling inuti mikro / nanomaterial i förbränningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Basic Science Research Program genom National Research Foundation of Korea (NRF), som finansieras av ministeriet för utbildning, vetenskap och teknik (NRF-2013R1A1A1010575), och av Nano FoU-program via Korea Science and Engineering Foundation finansierat av ministeriet för utbildning, vetenskap och teknik (NRF-2012M3A7B4049863).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
4” n-type silicon wafer Unisill 4” Si-wafer
Al2O3 TAEWON A-1008 99.9999% Purity
Fe Sigma Aldrich 267945 99.9999% Purity
Ar Seoul specialty gas Ar(N60) 99.9999% Purity
C2H4 Seoul specialty gas C2H4 99.5% Purity
H2 Seoul specialty gas H2(N60) 99.9999% Purity
Silver paste Fujikura Kasei D-550
Picric acid Sigma Aldrich 197378 >98% Purity
Highly toxic
Sodium azide Sigma Aldrich S2002 >99.5% Purity
Acetonitrile Sigma Aldrich 271004 99.8% Purity
Power supply Mastech HY3010
TCVD Scientech TCVD
Oscilloscope Tektronix DPO2004B
High-speed microscopy system Phantom V7.3

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R. Q., Zhang, K. L. Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications. Acs Appl Mater Inter. 6, 3058-3074 (2014).
  2. Zhang, K., Chou, S., Ang, S., Tang, X. A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter. Sensors and Actuators A: Physical. 122, 113-123 (2005).
  3. Zhang, W. C., et al. Significantly Enhanced Energy Output from 3D Ordered Macroporous Structured Fe2O3/Al Nanothermite Film. Acs Appl Mater Inter. 5, 239-242 (2013).
  4. Choi, W., Abrahamson, J. T., Strano, J. M., Strano, M. S. Carbon nanotube-guided thermopower waves. Materials Today. 13, 22-33 (2010).
  5. Choi, W., et al. Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves. Nat Mater. 9, 423-429 (2010).
  6. Abrahamson, J. T., et al. Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources. Acs Nano. 5, 367-375 (2011).
  7. Walia, S., et al. ZnO based thermopower wave sources. Chem Commun. 48, 7462-7464 (2012).
  8. Walia, S., et al. Sb2Te3 and Bi2Te3 based thermopower wave sources. Energ Environ Sci. 4, 3558-3564 (2011).
  9. Hong, S., et al. Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays. J Phys Chem C. 117, 913-917 (2013).
  10. Walia, S., et al. MnO2-Based Thermopower Wave Sources with Exceptionally Large Output Voltages. J Phys Chem C. 117, 9137-9142 (2013).
  11. Aria, A. I., Gharib, M. Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays. J Vis Exp. , (2013).
  12. Zhao, Y., Tang, Y., Star, A. Synthesis and functionalization of nitrogen-doped carbon nanotube cups with gold nanoparticles as cork stoppers. J Vis Exp. , e50383 (2013).
  13. Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M., Hart, A. J. Fabrication, densification, and replica molding of 3D carbon nanotube microstructures. J Vis Exp. , (2012).
  14. Grimme, S. Do Special Noncovalent π–π Stacking Interactions Really Exist. Angewandte Chemie International Edition. 47, 3430-3434 (2008).
  15. Yeo, T., et al. Effects of chemical fuel composition on energy generation from thermopower waves. Nanotechnology. 25, (2014).
  16. Hong, S., et al. Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 913-917 (2013).
  17. Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Physical review letters. 87, 215502 (2001).
  18. Garner, W., Abernethy, C. Heats of combustion and formation of nitro-compounds. Part I. Benzene, toluene, phenol and methylaniline series. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 99, 213-235 (1921).
  19. Passingham, C., Hendra, P. J., Hodges, C., Willis, H. A. The Raman spectra of some aromatic nitro compounds. Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. 47, 1235-1245 (1991).
  20. Rinkenbach, W. H. The Heats Of Combustion And Formation Of Aromatic Nitro Compounds. Journal of the American Chemical Society. 52, 115-120 (1930).

Tags

Engineering thermopower våg förbränning kolnanorör kemisk bränsle termisk transporter energiomvandling pikrinsyra
Upprättande och utvärdering av Hybrid Composites i Chemical Bränsle och Flerväggiga kolnanorör i studien av Thermopower Vågor
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hwang, H., Yeo, T., Cho, Y., Shin,More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter