Abstract
כאשר דלק כימי במיקום מסוים במרוכבים היברידית של הדלק וחומר / nanostructured מייקרו הצית, בעירה כימית מתרחשת לאורך הממשק בין חומרי הדלק וליבה. במקביל, שינויים דינמיים בפוטנציאלים תרמיים וכימיים על פני חומרי מיקרו / nanostructured לגרום לדור אנרגיה חשמלי נלווה הנגרם על ידי העברת מטען בצורה של דופק מתח גבוהה-תפוקה. אנו מדגימים את ההליך כולו של ניסוי גל thermopower, מסינתזה להערכה. בתצהיר אדים כימיים תרמי ותהליך הספגה הרטוב בהתאמה מועסק לסינתזה של מערך צינורות פחמן רב חומה ומרוכבים היברידי של אזיד חומצה / נתרן picric / צינורות פחמן רב חומה. חומרים מרוכבים ההיברידי מוכנים משמשים לפברק גנרטור גל thermopower עם אלקטרודות חיבור. הבעירה של המורכב ההיברידי היא ביוזמת חימום לייזר או ג 'אול-חימום, וההתפשטות דואר מקביל בעירה, דור אנרגיה החשמלי ישיר, וזמן אמת שינויי טמפרטורה נמדדים באמצעות מערכת במהירות גבוהה מיקרוסקופיה, אוסצילוסקופ, וpyrometer אופטי, בהתאמה. יתר על כן, האסטרטגיות המכריעות שתאומצנה בסינתזה של רוכבים וייזום של הבעירה שלהם, המשפרות את העברת אנרגיית גל thermopower הכוללת היברידיים מוצעים.
Introduction
יש לי דלקים כימיים צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד והיה בשימוש נרחב כמקורות אנרגיה שימושיים במגוון רחב של יישומים מMicrosystems לmacrosystems. 1 בפרט, חוקרים רבים ניסו להשתמש בדלקים כימיים כמקור האנרגיה למייקרו / ננו הדור הבא טכנולוגיות מבוססות. 2 עם זאת, בשל הקושי בשילוב רכיבי המרת האנרגיה בחללים קטנים מאוד במייקרו / nanodevices, יש מגבלות בסיסיות להמרה של דלקים כימיים לאנרגיה חשמלית. לכן, שריפת דלקים כימיים בעיקר הועסקה לייצור אנרגיה כימית או מכאנית במייקרו / nanodevices כגון nanothermites או microactuators. 1,3
מושג-שגלים-Thermopower המרת אנרגיה חדשה שפותחה משך תשומת לב רבה כשיטת להמרת האנרגיה הכימית של דלק ישירות לENE החשמליתיכולים להיות שנוצרו rgy ללא שימוש בכל מרכיבי המרה. 4,5 גלי Thermopower באמצעות מרוכבים היברידיים של דלק כימי וחומר מיקרו / nanostructured. 5 כאשר הדלק הכימי במיקום מסוים במרוכבים היברידי הצית, בעירה כימית מתרחשת לאורך הממשק בין הדלק הכימי וחומר מיקרו / nanostructured. במקביל, שינויים דינמיים בפוטנציאלים תרמיים וכימיים על פני תוצאת חומר מיקרו / nanostructured ליבה בדור אנרגיה חשמלי נלווה הנגרם על ידי העברת מטען בצורה של דופק מתח גבוהה-תפוקה. הוכח כי חומרי מיקרו / nanostructured מגוונות כגון צינורות פחמן רב חומה (MWCNTs) 4-6 וZnO, 7 Bi 2 Te 3, 8 Sb 2 3 טה, 9 וMNO 2 10 חומרי מיקרו / nanostructured לאפשר מרוכבים היברידיים לנצל גלי thermopower ולהראות כימי-תרמי-חשמלייהמרת אנרגיית cal. באופן ספציפי, חומרי ליבה עם מקדם Seebeck גבוה מאפשרים את הדור של מתח גבוה פלט אך ורק משריפה מופצת. עם זאת, פרמטרים אחרים הנוגעים לחומרים מרוכבים זהים, כגון התערובת של דלקים כימיים, יחס בין מסה של דלק / ליבה-חומרים, תהליך הייצור, ותנאי הצתה ביקורתי משפיעים על התכונות הכללית של גלי thermopower.
במסמך זה, אנו מראים כיצד תהליכי הייצור, הקמתה של דלק כימי מיושר, ויחס בין מסה של חומרים / ליבת דלק משפיעים על ביצועי גל thermopower. על בסיס מערך MWCNT המפוברק על ידי שיקוע כימי תרמי (TCVD), אנו מראים כיצד מרוכבים היברידיים של דלק כימי וMWCNTs מוכן לייצור אנרגיית גל thermopower. עיצוב של הגדרת הניסוי המאפשרת ההערכה של המרת אנרגיה הוא הציג יחד עם מקביל מדידות ניסיוניות לתהליכים כגון propagati בעירהובדור אנרגיה חשמלי ישיר. יתר על כן, אנו מראים כי קוטביות הפצה-תואר על ידי מתח המוצא הדינמי ושיא ספציפי כוח מכריע קובע את המרת האנרגיה החשמלית. מחקר זה יספק אסטרטגיות ספציפיות כדי לשפר את דור אנרגיה, ויסייע בהבנת הפיזיקה הבסיסית של גלי thermopower. יתר על כן, תהליך הייצור והניסויים שתוארו כאן יעזרו בהארכת הזדמנויות מחקר על גלי thermopower, כמו גם על המרת אנרגיה כימית-תרמי-חשמל.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. סינתזה של אנכי רב חומת פחמן מזדהות (VAMWCNTs)
- הכנת הרקיק ותצהיר של שכבות זרז
- הכן מסוג n (100) Si רקיק.
- להפקיד SiO 2 שכבה של 250 ננומטר עבה על פרוסות סיליקון Si ידי חמצון תרמי או שיטות חלופיות כגון המקרטעת. להזריק 200 SCCM של O 2 דקות 20 3 שעות ב 1000 מעלות צלזיוס בתנור אופקי.
- השתמש אל תפזורת 2 O 3 (99.9%) כחברה רב-גמגום: מקור (כוח RF 1000 W) ולהפקיד אל 10 ננומטר בעובי 2 O 3 (99.9%) שכבה על שכבת SiO 2. השתמש בשיעור בתצהיר איטי של 10 ננומטר / דקה עם לחץ בתצהיר של 2 × 10 -2 mbar.
- השתמש בתפזורת Fe (99.9%) כמקור על ידי העסקת מאייד E-קרן, ולהפקיד רובד Fe 1 ננומטר בעובי על השכבה אל 2 O 3. השתמש בשיעור בתצהיר איטי של ~ 0.1 nm / sec עם לחץ בתצהיר של 5 × 10 -6 Torr. חותך את Fe / אל 2 O 3 / SiO 2 / Si הרקיק לגודל מ"מ 28 מ"מ × 15 באמצעות חרט יהלומים.
הערה: בהתאם לגודל הרצוי של מערך VAMWCNT, בגודל של Fe / אל 2 O 3 / SiO 2 / Si הרקיק יכול להיות מגוון.
- סינתזה של מערך MWCNT ידי TCVD והכנת יערות MWCNT שעמדו חופשיים.
- מניחים את פרוסות Fe / אל 2 O 3 / SiO 2 / Si המרכזי בסירת קוורץ שיש ממדים של 120 מ"מ × 30 מ"מ.
- הנח את סירת קוורץ בתוך שפופרת קוורץ 2 אינץ 'של התקנת TCVD (איור 1 א).
- להזריק 900 SCCM של גז Ar במשך 10 דקות בתנאי סביבה כדי להסיר אוויר ולמלא את שפופרת קוורץ 2 אינץ 'עם Ar.
- להזריק 600 SCCM של גז Ar ו -400 SCCM של H 2 גז תוך הגדלת טמפרטורה בכבשן מ -25 מעלות צלזיוס עד 750 מעלות צלזיוס ב -30 דק '.
- להזריק גז Ar 100 SCCM ו -400 SCCM של H 2 ga ים ב 750 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות כדי לגבש חלקיקים פה כמו שורשים של MWCNTs.
- להזריק גז Ar 100 SCCM, 368 SCCM של H 2 גז, ו147 SCCM של אתילן (C 2 H 4) גז ב 750 מעלות צלזיוס במשך 280 דקות. במקביל, חל חימום ג 'אול בכניסה של צינור קוורץ על ידי חוט להט טונגסטן (מתח: 0.8 V, נוכחי: 15) על מנת לקדם את הפירוק של 2 C גז H 4 לפעול כמקור פחמן. מקורות פחמן אלה מחוברים חלקיקים פה על פרוסות Si והפכו לצינוריות.
- לעצור את הזריקה של H 2 גז ו- C 2 H גז 4, ולכבות את התנור. במהלך הליך זה, ברציפות להזריק גז Ar 100 SCCM עד לטמפרטורה של פרוסות סיליקון נופלת מתחת ל -60 מעלות צלזיוס.
- קח את MWCNTs על פרוסות סיליקון. בעדינות להפריד את מערך MWCNT מהרקיק כדי להשיג חופשי עומד יערות MWCNT (אורך: 3-6 מ"מ) (איור 1).
> 2. סינתזה של Composite ההיברידי של סרטים כימיים דלק וMWCNT
- הכנת דלקים כימיים
- הכן אזיד פתרון ונתרן חומצת picric (2,4,6-trinitro פנול) (NaN 3).
- להתאדות פתרון חומצת picric להשיג אבקת picric חומצה (ATM 1, 25 ° C, למשך 24 שעות). למדוד 6 גרם של אבקת חומצת picric ולפזר בשל אצטוניטריל 100 מיליליטר (262 מ"מ).
- מדד 6 גרם של האבקה אזיד הנתרן ולהתמוסס במי deionized (DI) (923 מ"מ) 100 מיליליטר.
- הכן אזיד פתרון ונתרן חומצת picric (2,4,6-trinitro פנול) (NaN 3).
- סינתזה ואפיון של חומרים מרוכבים היברידיים באמצעות הספגה רטובה
- למדוד את המסה של יער MWCNT בודד עם microbalance ולאשר את המבנים מיושרים של יער MWCNT ידי SEM (איור 4 א). השתמש במתח של 15 וולט וגדלה של 1,200X. בדקו אם המבנה מיושר נשמר על פני יער MWCNT כולו.
- הוסף 25 μl של 262 מ"מ פתרון חומצת picric על top של יער MWCNT לאפשר הדלק לחדור את הנקבוביות של היער. השאר את המדגם כהוא למשך 30 דקות כדי לכווץ את מערך סרט, ולאפשר לחומצת picric לחדור באופן מלא את הנקבוביות עד שכל אצטוניטריל התאדה מן היער (איור 1 ג).
הערה: בהתאם ליחס בין יעד הדלק הכימי ומערך MWCNT, לשנות את הריכוז וכמות תמיסת חומצת picric. - לטבול את יערות MWCNT מצופה חומצת picric ב -25 μl של פתרון אזיד הנתרן 923 מ"מ ליצירת phenoxide 2,4,6-trinitro נתרן ויזיד מימן (שכבת דלק) על ידי הספגה רטובה. השאר את המדגם למשך 30 דקות עד שכל הממסים להתאדות.
הערה: בהתאם ליחס בין יעד הדלק הכימי ומערך MWCNT, אתה יכול לשנות את הריכוז וכמות הפתרון אזיד הנתרן. - למדוד את המסה של מרוכבים היברידיים בודדים של דלק וMWCNTs עם microbalance, ולהשוות את המסה הסופית כדי לחשב את היחס בין המסה שלשכבת הדלק וMWCNTs.
כאשר h M וm M הם המסה של מרוכבים הפרט היברידיים וסרט MWCNT פרט, בהתאמה. - לאשר את המבנים מיושרים של המורכב ההיברידי דלק וMWCNTs ידי SEM (איור 5 א). על פי הוראות היצרן, להוריד את הלחץ לתנאי ההפעלה, ולהעלות את ההגדלה עד צבירת הדלק הכימית ברורה הוא ציינה ביער MWCNT מיושר. בדוק את הצורה של צבירת דלק על MWCNTs.
3. ייצור של Thermopower Wave Generator (איור 2)
- צרף קלטות נחושת בשני הקצוות של שקופיות זכוכית לפעול כאלקטרודות לחיבור עם אוסצילוסקופ, אשר מודד את תפוקת המתח הישירה מגל thermopower.
- חבר את קלטות הנחושת בשני הקצוות של מרוכבים היברידיים באמצעות pas כסףאגל te. השאר את המדגם עד להדביק הכסף הופך להיות קשה והחיבור קבוע.
- השתמש במודד למדידת ההתנגדות החשמלית של המורכב ההיברידי.
4. מדידה של גלי Thermopower (איור 3)
- בתוך חדר פוליקרבונט, לתקן את גנרטור גל thermopower על השולחן האופטי עם מהדק לבטיחות.
- השתמש בקליפים תנין להתחבר אלקטרודות הנחושת לאוסצילוסקופ למדידת מתח מוצא.
- להקים מערכת במהירות גבוהה מיקרוסקופיה [רכיבים: מצלמה במהירות גבוהה (> 5,000 מסגרות / sec), עדשת מאקרו (105 מ"מ / עדשת f2.8), ומנורת LED] להקליט התפשטות שריפה מגנרטור. מקום וידליק את מנורת LED להקלטה ברורה עם תמונות ברזולוציה גבוהה מול מחולל גל thermopower. קבע את מהירות ההקלטה מעל 5,000 מסגרות / sec.
- הנח pyrometer אופטי בעמדה ספציפית כדי להקליט את השינויים בזמן אמת בטמפרטורהשל המורכב ההיברידי.
- להחיל גם הקרנת לייזר או חימום ג 'אול כדי להצית את הדלק הכימי במרוכבים ההיברידית.
- פוקוס לייזר (<1,000 מגה ואט) בעמדה ספציפית במרוכבים ההיברידית. לשמור על הפוקוס לכמה שניות עד שהבעירה היא יזם במחולל גל thermopower.
- הכן אספקת חשמל גבוהה נוכחית וחוט ניקל-כרום. לחבר את החוט לאספקת חשמל גבוהה נוכחית (הפעלת תנאים: 5 V ו -3), ולחמם חוט ניקל. ליצור קשר עדין בין חוט ניקל המחומם והדלק כימי על מרוכבים ההיברידי עד בעירה היא יזם במחולל גל thermopower.
- הפעל את תוכנית ההתקנה של המדידה, הכולל מערכת במהירות גבוהה מיקרוסקופיה, אוסצילוסקופ, וpyrometer אופטי, כאשר גל thermopower הוא הושק על ידי גנרטור.
- הגדרת מסגרת שיעור הקלטה (5,000 מסגרות / sec) במצלמה במהירות הגבוהה. הקלטת הדק בתחילת thermopoהתפשטות גלי wer. שיא תמונות בצילומים במהירות גבוהה עם מערכת מיקרוסקופיה במהירות הגבוהה, ולחלץ את מספר המסגרות שנרשמו מתחילתו ועד סופו של התפשטות גל thermopower (#number הכולל של מסגרות).
- רשום את אות המתח מההתחלה ועד הסוף של התפשטות גל thermopower באמצעות אוסצילוסקופ. חלץ את דופק מתח פלט (V).
- להתמקד pyrometer האופטי במיקום הספציפי במרוכבים היברידי, המצביע על אזורי היעד, ולמדוד שינויים דינמיים בטמפרטורה (° C).
- לחשב את המהירות של התפשטות תגובה על ידי חילוץ העמדה הקדמית התגובה במסגרות בודדות במערכת מיקרוסקופיה במהירות הגבוהה.
שם, h l הוא האורך הכולל של מרוכבים היברידיים, f n היא מספר מסגרות שנרשמו מתחילתו ועד סופו של התפשטות גל thermopower, וn o </ Sub> הוא במסגרת שיעור ההקלטה. - לחלץ את נתוני מתח היציאה מאוסצילוסקופ ולחשב את מתח השיא המרבי, כמו גם את הכח הספציפי מדופק מתח המוצא. השתמש בהתנגדות החשמלית שנמדדה בשלב 3.
- חלץ את שינוי הטמפרטורה על ידי השימוש בpyrometer האופטי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מערך MWCNT מיושר, כחומר nanostructured ליבה לגלי thermopower, היה מסונתז על ידי TCVD, 11-13, כפי שמוצג באיור 4 א. הקוטר של MWCNTs כבוגר הוא 20-30 ננומטר (איור 4). מרוכבים היברידיים מיושרים של אזיד / MWCNTs חומצה / נתרן picric מוצגים באיור 5 א. זה מורכב היה מסונתז על ידי תהליך הספגה הרטוב, 14 כפי שתוארה בסעיף הפרוטוקול. על מנת ליצור ממשק בין הדלק הכימי וMWCNTs, חומצת picric פורקה ב אצטוניטריל (ממס נמוך משטח-אנרגיה), כדי לאפשר חדיר בתוך מערך MWCNT. יתר על כן, בעוד שיזיד הנתרן הומס במי DI ליצירת ציפוי דק להצתה קלה. הדלק הכימי היה מורכב משני כימיקלים: הדלק הכימי העיקרי היה חומצת picric עם אנתלפיה גבוהה של בעירה (2,570 kJ / mol) תוך אזיד הנתרן שימש דלק לתגובה הראשונית בשל activat הנמוך שלהאנרגיית היון (40 kJ / mol). 5 יתר על כן, התערובת של חומצת picric / אזיד הנתרן יצרה מבנה חד-ממדי שהגביר את הבעירה, כפי שמוצגת באיור 5. 15 לאחר הייצור של גנרטור גל thermopower, במהירות הגבוהה מערכת מיקרוסקופיה נרשמה התפשטות בעירה (איור 6). ג 'אול-החימום הצית את הבעירה, והיא הפכה במהירות כתגובה כימית הפצת עצמית לאורך הכיוון מיושר של MWCNTs (איור 6 א ו6 ב). במקביל, המרה-כאנרגיה חשמלית נלווית פלט מתח הושג באמצעות אוסצילוסקופ המסונכרן (איור 7). חוט ניקל-הכרום המשמש להצתה פנה רק למתחם הדלק במרוכבים ההיברידי, ולא הייתה שום הפרעה מהאות החשמלית החיצונית. כניסוי שליטה, בעירה כימית ללא שימוש במערך MWCNT נחקרה באמצעות saשלי נהלים. הוא אישר כי לא היה כיוון ספציפי לבעירה. יתר על כן, דור אנרגיה חשמלי לא נצפה כאשר מערך MWCNT לא היה בשימוש.
איור 1. הסינתזה של חומרים מרוכבים היברידיים דלק וMWCNTs כימיים. (א) TCVD להגדיר. (ב) תכנית של סרט MWCNT שעמד חופשי. (ג) תכנית של חומרים מרוכבים היברידיים, מסונתזים על ידי תהליך הספגה רטוב. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ייצור 2. דמותו של מחולל גל thermopower מדגם. החלק קלטת דבק-נחושת זכוכית והכסף היא משמש כמצע וחיבור צומת, בהתאמה. חומרים מרוכבים היברידיים של שכבות דלק וחומרי ליבה משמשים כמקורות גל thermopower. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
3. מדידה ניסויית איור להגדיר עבור גלי thermopower. () תכנית של הניסוי המסונכרן להגדיר, מראה תנועות תשלום באמצעות גלי thermopower. (ב) הגדרת ניסוי אמיתית בתא פוליקרבונט, בהיקף של מערכת מיקרוסקופיה במהירות גבוהה, מערכת הצתה אוסצילוסקופ, pyrometer אופטי, ו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
לשמור-together.within-page = "תמיד">: 
MWCNTs איור 4. מורחבות. (א) תמונת SEM של מערך MWCNT מסונתז על ידי TCVD. תמונת TEM (B) של MWCNT בודד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. מרוכבים מורחבים היברידיים של דלק כימי ומערך MWCNT. SEM תמונות של (A) מבנים מפורטים של חומצת picric / אזיד / מרוכבים MWCNT נתרן, וצבירה חד-ממדית של חומצת picric (B) / אזיד הנתרן לאחר אידוי ממס. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של t דמותו.
איור 6. התפשטות תרמית גל באמצעות גלי thermopower, נמדד באמצעות מערכת מיקרוסקופיה במהירות גבוהה (5,000 מסגרות / sec). מול המצלמה של התפשטות שריפה מלווה בדור אנרגיה חשמלי בקוטביות אחת וקוטביות מסודרת (ב) (א). אנא לחץ כאן ל להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7. דור חשמל אנרגיה מגלי thermopower. מתח יציאה ב (א) קוטביות אחת, וקוטביות מסודרת (B)."Target =" e.jpg _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
תכנית איור 8. שינויים מבניים בתערובות דלק כימיות של חומצת picric / אזיד הנתרן. (A, B) מבנים כימיים של חומצה / אזיד הנתרן picric ונתרן אזיד / מימן 2,4,6-trinitrophenolate לאחר החלפת Na + וH + . (C) סכמטי של מבנה הכימי של 2,4,6-trinitrophenolate אזיד / מימן במבנה מסודר, חד-ממדי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| גלי Thermopower בקוטביות אחת | גלי Thermopower בקוטביות מסודרת | ||||
| מתח יציאה | דלק / יחס MWCNT | כוח (קילוואט / קילוגרם) | מתח יציאה | דלק / יחס MWCNT | כוח (קילוואט / קילוגרם) |
| (MV) | (MV) | ||||
| 1,062 | 4.19 | 417.72 | 35 | 36.59 | 0.11 |
| 926 | 4.19 | 30.57 | 37 | 36.59 | 0.027 |
| 1,980 | 4.19 | 143.6 | 30 | 36.59 | 0.016 |
סיכום 1. טבלה של מתח מוצא, דלק / יחס מסת MWCNT וכוח ספציפי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפרוטוקולים של ניסויי גל thermopower כרוכים שלבים קריטיים המאפשרים התפשטות גל תרמי אידיאלית, כמו גם דור אנרגיה חשמלי. ראשית, העמדה הספציפית של הצתה והעברת התגובה המקבילה גורמים רבים בשליטה המרת אנרגיה מגלי thermopower. הצתה בקצה אחד של מרוכבים היברידיים השיקה מודרכת בעירה לאורך הממשקים בין חומרי הליבה ודלקים כימיים בכיוון אחד. עם זאת, הצתה בכל תפקיד אחר שנוצרה גלי thermopower דו-כיווניים שהועברו לשני הקצוות, וכתוצאה מכך הביטול של נושאי מטען בכיוונים המנוגדים, כמו גם התחבורה תרמית מסודרת בתוך חומרי הליבה. כפי שניתן לראות באיור 7 א, הצתה בקצה אחד מיוצרת אנרגיה חשמלית של קוטביות אחת; עם זאת, הצתה בעמדת המרכז הביאה להתפשטות דו-כיוונית בעירה, וקוטביות הפרעות בוולט הפלטגיל (איור 7). יתר על כן, קוטביות אחת בגלי thermopower הביאה מתח מוצא שיא שהיה יותר מחמש פעמים, כי במקרה של קוטביות הפרעות בשל העברת המטען המואצת על ידי גלי חום רציפים ללא ביטול החיובים.
היחס בין המסה בין הדלק הכימי ומייקר ליבה / ננו יכול לקבוע את המאפיינים הכלליים של גלי thermopower. 16,17 כאמור, יחס בין מסה הוא גורם לשליטה בשל הריכוז שונה והסכום של פתרון בשימוש. במחקר זה, אזורי interfacial ראויים בין הדלק הכימי וחומר ליבה קידמו תגובת שרשרת יציבה לאורך הממשק וסיפקו התפשטות בעירה מבוקרת, וכתוצאה מכך ההעברה יעילה אנרגיה (איור 6 א). להיפך, זה קשה לשמור על תגובת שרשרת יציבה עם דלק כימי יותר מדי. במקרה של גלי thermopower, חומר הליבה גבוהמוליכות תרמית מספקת את אנרגיית תרמית החימום מראש לדלק הכימי באזורי interfacial, ומקדמת את הבעירה של הדלק השכן על ידי התגברות על אנרגית השפעול לאורך הממשק. עם זאת, כאשר נעשה שימוש בדלק כימי עודף, ללא קשר לתחבורת התרמית לאורך חומרי הליבה, הדלק הכימי שהוא רחוק מחומר הליבה יכול להיות הצית בשל התגובה מופצת באופן אקראי בתוך הדלק הכימי ולא התגובה מודרכת-שרשרת ב הממשק (איור 6). התוצאה היא בעירה במספר כיוונים, כמו גם קוטביות מסודרת. תוצאות הניסוי המשווים את יחס המסה האופטימלי ופרופורציות דלק כימיות מוגזם מסוכמות בטבלה 1. יחס בין מסה אופטימלית של 4.19 מיוצר למעלה מ -1,000 mV, ואילו יחס בין מסה מוגזמת של 36.59 שנוצר רק כ -35 mV.
יתר על כן, שינוי מסוים בהרכב הדלק הכימי יכול לקדם enhanהמרת אנרגיית ce בגל thermopower. בעיקרון, יש לי הרכב הדלק הכימי ויחס מסה בחומרים מרוכבים היברידיים השפעה חזקה על התפשטות שריפה, כמו גם דור אנרגיה חשמלי מגלי thermopower. ראשית, מצבורים חד-ממדיים של תערובות דלק בתוך MWCNTs יכולים להתממש על ידי שילוב מיוחד של דלק עיקרי ויזיד הנתרן (איור 5). לדוגמא, לא הייתה צבירה מיושרת של תערובות דלק של picramide ויזיד הנתרן. עם זאת, כאשר אזיד חומצה ונתרן picric היו מעורבים והתאדיתי במהלך תהליך הספגה הרטוב, מבנה חדש של דלק כימי שקדם את התגובה הכימית המודרך היה מסונתז, כפי שמוצג באיור 8. בתערובת אזיד חומצה ונתרן picric, H + יון בחומצה picric הוחלפה עם יון Na + ביזיד הנתרן, ויצרה phenoxide 2,4,6-trinitro נתרן ויזיד מימן (H-N 3) בשכבת הדלק (figur8A הדואר ו8b). 18 במקביל, לערום, הנגרמים על ידי כוחות אן דר ואלס בין טבעות הבנזן, שנבנו חד-ממדי מבנים צבורים, עם צורות דומות לגליל 19,14 (איור 8C). הוא אישר כי בשל אנתלפיה השלילית של היווצרות התרכובת הכימית החדשה והמבנים מיושרים החד-ממדי של הדלקים הכימיים, דור מתח המוצא ומהירות בעירה מגלי thermopower היו מוגבר באופן דרמטי על ידי למעלה מ 10 פעמים. 20
גלי Thermopower יכולים לספק הבנה של המרת האנרגיה הכימית-תרמי-חשמלית בחומרי מיקרו / nanostructured. עד כה, רוב מאמצי מחקר על בעירה בחומרי מיקרו / nanostructured התמקדו בהמרה מכימית לאנרגיה תרמית, או מכימי לאנרגיה מכאנית; כמה דוגמאות של מכשירים אלה כוללות nanothermites וmicroactuators. גלי Thermopower יכולים להאריך את ההבנה של המרות אנרגיה עם השיקול של דור אנרגיה חשמלי דינמי. יתר על כן, יש לי גלי thermopower יישומים פוטנציאליים רחבים. כפי שניתן לראות בטבלה 1, צפיפות ההספק של גלי thermopower במרוכבים היברידית לעומת די מרשימה לשיטות קונבנציונליות אחרות. כך, ניתן להשתמש בגלי thermopower כמקור אנרגיה בהספק גבוה למכשירים ממוזערים. יתר על כן, מאז גלי thermopower יכולים להמיר ישירות גם פסולת חום ודלק לאנרגיה חשמלית, זה יכול להיות מפותח כסוג חדש של מערכת התאוששות אנרגיית פסולת. יתר על כן, התפשטות גלי חום בממשק שבין הדלק הכימי וחומרי מיקרו / nanostructured יכולה לשמש לסינתזת חומרים מוצקה באמצעות בעירה. עם זאת, יש מגבלה אחת להתגבר. נכון לעכשיו, גלי thermopower רק לייצר תפוקת פעם של אנרגיה חשמלית המגיעה לבעירה. לכן, שיטת קצירת אנרגיה לתפוקת אנרגיית דופק מגלי thermopower ייתכן שתהיה צורך בעתיד. הפיתוח של מערכת ספציפית המספקת שוב ושוב דלק כימי לחומרי הליבה עשוי להיות שימושי עבור יישומים באמצעות גלי thermopower.
לסיכום, יש לנו תארנו שיטות לסנתז מרוכבים היברידית של דלק כימי ומיקרו / ננו, וכדי לייצר מחולל גל thermopower. ההתקנה הניסיונית לחקר גלי thermopower כבר הסבירה בפירוט. יתר על כן, אסטרטגיות מכריעות שתאומצנה לשיפור נוסף של גלי thermopower כבר הוכיח יחד עם נתוני ניסוי. אנו מצפים כי עבודה זו תתרום למחקר תחומים הקשורים לגלי thermopower, כמו גם לפיתוח של יישומים עתידיים ניצול המרת האנרגיה הכימית-תרמי-חשמלית בתוך מיקרו / ננו בבעירה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש לי המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי תכנית מחקר המדע בסיסי באמצעות קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF), ממומנת על ידי משרד החינוך, המדע והטכנולוגיה (NRF-2013R1A1A1010575), ועל ידי תכנית Nano מו"פ באמצעות מדע קוריאה וקרן הנדסה במימון על ידי משרד חינוך, המדע והטכנולוגיה (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).
