Preparação e Avaliação de compósitos híbridos de Chemical Combustíveis e de paredes múltiplas Nanotubos de Carbono no estudo das ondas termoelétricas

Resumo

A protocol for conducting thermopower wave experiments is presented. The synthesis of hybrid composites of a chemical fuel and micro/nanostructured material, manufacturing of a thermopower wave generator, and methods for measuring the corresponding physical phenomena are described.

Resumo

Quando um combustível químico a uma determinada posição em um composto híbrido do combustível e um material micro / nanoestruturada é inflamada, de combustão química ocorre ao longo da interface entre os materiais combustíveis e do núcleo. Simultaneamente, as alterações dinâmicas potenciais térmicas e químicas, através dos materiais micro / nanoestruturados resultar na geração de energia eléctrica concomitante induzida por transferência de carga sob a forma de um impulso de tensão de alta saída. Demonstramos todo o procedimento de uma experiência onda thermopower, de síntese para avaliação. Deposição química de vapor e o processo de impregnação húmida são, respectivamente, empregue para a síntese de uma matriz de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e um composto híbrido de ácido pícrico de azida de sódio / / nanotubos de carbono de paredes múltiplas. Os compósitos híbridos preparados são usados ​​para fabricar um gerador de ondas thermopower com eletrodos de conexão. A combustão do composto híbrido é iniciada por aquecimento a laser ou de Joule-aquecimento, e the correspondente de propagação de combustão, de geração de energia elétrica direta, e em tempo real as mudanças de temperatura são medidos através de um sistema de alta velocidade microscopia, um osciloscópio e um pirômetro óptico, respectivamente. Além disso, as estratégias cruciais a serem adotadas na síntese de compósitos híbridos e início de sua combustão que aumentem a transferência global de energia das ondas thermopower são propostos.

Introdução

Combustíveis químicos têm muito alta densidade de energia e têm sido amplamente utilizados como fontes de energia úteis em uma ampla gama de aplicações de microssistemas para macrossistemas. ¹ Em particular, muitos pesquisadores têm se esforçado para usar combustíveis químicos como fonte de energia para a próxima geração de micro / nanosystems tecnologias baseados ^2. No entanto, devido à dificuldade de integração de componentes de conversão de energia em extremamente pequenos espaços em micro / nanodispositivos, existem limitações fundamentais para a conversão de combustíveis química em energia elétrica. Por conseguinte, a combustão de combustíveis químicos tem sido principalmente utilizado para a produção de energia química ou mecânica nas micro / nano-dispositivos tais como nanothermites ou microactuadores ^1,3.

Ondas-a termoelétrica de conversão de energia recém-desenvolvido conceito-atraíram considerável atenção como um método para converter a energia química de um combustível diretamente para ene elétricarg sem utilizar quaisquer componentes de conversão. ^4,5 thermopower ondas pode ser gerado usando um composto híbrido de um combustível químico e um material micro / nanoestruturada. ⁵ Quando o combustível químico a uma determinada posição em um composto híbrido é inflamada, de combustão química ocorre ao longo a interface entre o combustível químico e do material de micro / nanoestruturada. Simultaneamente, as alterações dinâmicas potenciais térmicas e químicas, em toda a micro / nanoestruturada resultado material do núcleo na geração de energia eléctrica concomitante induzida por transferência de carga sob a forma de um impulso de tensão de alta saída. Provou-se que diversos materiais micro / nanoestruturados tais como nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) ^4-6 e ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ Sb ₂ Te _3, ⁹ e _MnO2 ¹⁰ materiais micro / nanoestruturados permitir compósitos híbridos utilizar ondas termoelétricas e mostrar químico-térmico-electriconversão de energia cal. Especificamente, os materiais de núcleo com um coeficiente de Seebeck elevados permitem que a geração de tensões de saída exclusivamente a partir de combustão propagada. No entanto, outros parâmetros relativos aos compostos idênticos, tais como a mistura de combustíveis químicos, proporção de massa de combustível / núcleo-primas, o processo de fabrico, e as condições de ignição afectar criticamente as propriedades globais de ondas termelétricas.

Aqui, vamos mostrar como os processos de fabricação, formação de um combustível químico alinhados, e razão de massa de materiais / núcleo de combustível afetar o desempenho onda thermopower. Na base de uma matriz de MWCNT fabricada por deposição química de vapor (TCVD), mostra-se como um composto híbrido de um combustível químico e MWCNTs é preparado para a geração de energia das ondas thermopower. Concepção da configuração experimental que permite a avaliação de conversão de energia é introduzido juntamente com os dados experimentais correspondentes para os processos de combustão tais como propagation e geração de energia elétrica direta. Além disso, nós demonstramos que a polaridade de distribuição descritos por a tensão de saída e dinâmico pico específico poder-crucialmente determina a conversão da energia eléctrica. Este estudo irá fornecer estratégias específicas para aumentar a geração de energia, e vai ajudar na compreensão da física subjacentes de ondas termoelétricas. Além disso, o processo de fabricação e experiências descritas aqui vai ajudar no alargamento das oportunidades de pesquisa em ondas termoelétricas, bem como na conversão de energia química-termo-elétrica.

Protocolo

1. Síntese de alinhados verticalmente de paredes múltiplas nanotubos de carbono (VAMWCNTs)

1. Preparação de bolacha e deposição de camadas de catalisador
   1. Preparar um tipo-n (100) bolacha de Si.
   2. Depositar a 250 nm de espessura de camada de SiO ₂ na bolacha de Si por oxidação térmica ou métodos alternativos, tais como a pulverização catódica. Injectar 200 sccm de _O2 durante 3 h 20 min a 1000 ° C num forno horizontal.
   3. Usar grandes quantidades de Al ₂ O ₃ (99,9%) como um multi-borrifamento (potência RF: 1.000 W) e depositar uma fonte de 10 nm de espessura de Al ₂ O ₃ (99,9%) camada sobre a camada de _SiO2. Utilize uma velocidade de deposição lenta de 10 nm / min com uma pressão de deposição de 2 x 10 ^-2 mbar.
   4. Usar grandes quantidades de Fe (99,9%) como uma fonte através do emprego de um evaporador de feixe de electrões, e depositar uma camada de Fe 1 nm de espessura na camada de Al ₂ O _3. Use uma taxa de deposição lenta de ~ 0,1 nm / seg com uma pressão de deposição de 5 × 10 ^-6 Torr.
   5. Cortar o Fe / Al ₂ O ₃ / SiO ₂ / Si bolacha para um tamanho de 28 milímetros x 15 mm utilizando um riscador diamante.
      Nota: Dependendo do tamanho desejável da matriz VAMWCNT, o tamanho da Fe / Al ₂ O ₃ / SiO ₂ / Si bolacha pode ser variada.
2. Síntese de matriz MWCNT por TCVD e preparação de florestas MWCNT free-standing.
   1. Inserir o Fe / Al ₂ O ₃ / SiO ₂ / Si bolacha centralmente num barco de quartzo que tem dimensões, de 120 mm x 30 mm.
   2. Inserir o barco de quartzo no interior do tubo de quartzo de 2 polegadas da instalação TCVD (Figura 1A).
   3. Injectar 900 sccm de Ar gasoso durante 10 minutos sob as condições ambientes para remover o ar e encher o tubo de quartzo de 2 polegadas com Ar.
   4. Injectar 600 sccm de Ar gasoso e 400 sccm de H ₂ gasoso, enquanto o aumento da temperatura no forno de 25 ° C a 750 ° C em 30 min.
   5. Injectar 100 sccm de gás Ar e 400 sccm de H ₂ gas a 750 ° C durante 10 minutos para a formulação de nanopartículas de Fe são as raízes de MWCNTs.
   6. Injectar 100 sccm de Ar gasoso, 368 sccm de H ₂ gasoso, e 147 sccm de etileno (C ₂ H ₄₎ de gás a 750 ° C durante 280 min. Simultaneamente, aplica aquecimento por efeito Joule na entrada do tubo de quartzo por filamento de tungsténio (tensão: 0,8 V, corrente: 15 A) para promover a decomposição de C ₂ H ₄ gás para agir como uma fonte de carbono. Estas fontes de carbono estão ligados a nanopartículas Fe sobre bolachas de Si e transformado em nanotubos de carbono.
   7. Pare a injeção de gás _H2 e C ₂ H ₄ gás e desligue o forno. Durante este procedimento, injectar continuamente 100 sccm de Ar gasoso até que a temperatura da bolacha seja inferior a 60 ° C.
   8. Retire MWCNTs na bolacha. Suavemente separar a matriz MWCNT da bolacha para a obtenção de pés florestas MWCNT (comprimento: 3-6 mm) (Figura 1B).

2. Síntese de compósito híbrido de Química Combustíveis e MWCNT Films

1. Preparação dos combustíveis químicos
   1. Preparar um ácido pícrico (2,4,6-trinitro fenol) e solução de azida de sódio _(NaN3).
      1. Evapora-se a solução de ácido pícrico para se obter o pó de ácido pícrico (1 atm, 25 ° C, durante 24 horas). Medir 6 g do pó de ácido pícrico e dissolve-se em 100 ml de acetonitrilo (262 mM).
      2. Medida 6 g do pó de azida de sódio e dissolve-se em 100 ml de água desionizada (Dl) (923 mM).
2. Síntese e caracterização de compósitos híbridos via impregnação úmida
   1. Medir a massa de uma floresta MWCNT indivíduo com uma microbalança e confirmar as estruturas alinhadas da floresta MWCNT por SEM (Figura 4A). Utilize uma voltagem de 15 kV e uma ampliação de 1,200X. Verifique se a estrutura alinhada é mantida ao longo de toda a floresta MWCNT.
   2. Adicionar 25 mL de 262 mM solução de ácido pícrico em top da floresta MWCNT para permitir que o combustível para penetrar os poros da floresta. Deixar a amostra, como é por 30 min para reduzir a matriz filme, e permitir que o ácido pícrico de penetrar totalmente os poros até que todo o acetonitrilo ter evaporado da floresta (Figura 1C).
      Nota: Dependendo da relação entre o alvo combustível químico e matriz MWCNT, modificar a concentração ea quantidade da solução de ácido pícrico.
   3. Imergir florestas MWCNT revestidos por ácido pícrico em 25 ul de solução de azida de sódio 923 mM para formar o fenóxido de sódio de 2,4,6-trinitro e azida de hidrogénio (camada de combustível) por impregnação húmida. Deixar a amostra durante 30 minutos até que todos os solventes evaporam.
      Nota: Dependendo da relação entre o alvo combustível químico e matriz MWCNT, você pode modificar a concentração ea quantidade da solução de azida de sódio.
   4. Medir a massa de um composto híbrido individual de combustível e MWCNTs com uma microbalança, e comparar a massa final para calcular a relação massa dea camada de combustível e MWCNTs.
      
      em que M e M _{h m} é a massa do composto híbrido individual e película MWCNT indivíduo, respectivamente.
   5. Confirme as estruturas alinhadas do compósito híbrido de combustível e MWCNTs por SEM (Figura 5A). De acordo com as instruções do fabricante, reduzir a pressão para as condições de funcionamento, e aumentar a ampliação até a agregação combustível químico é claramente observado na floresta MWCNT alinhados. Verifique a forma de agregação de combustível em MWCNTs.

3. Produção de Termelétrica Onda Generator (Figura 2)

1. Anexar fitas de cobre para ambas as extremidades de uma lâmina de vidro para agir como eléctrodos para ligação com um osciloscópio, que mede a tensão de saída directa da onda thermopower.
2. Conecte-se as fitas de cobre para ambas as extremidades do compósito híbrido via uma prata paste gotícula. Deixar a amostra até a pasta de prata torna-se difícil e que a conexão é fixa.
3. Use um multímetro para medir a resistência elétrica do compósito híbrido.

4. Medição da Waves termelétricas (Figura 3)

1. Dentro de uma câmara de policarbonato, consertar o gerador de ondas thermopower na mesa óptica com braçadeiras para a segurança.
2. Use agrafos para ligar os eléctrodos de cobre para o osciloscópio para a medição da tensão de saída.
3. Estabelecer um sistema de microscopia de alta velocidade [componentes: uma câmera de alta velocidade (> 5000 frames / seg), lente macro (105 milímetros lente / f2.8), e uma lâmpada de LED] para gravar a propagação da combustão do gerador. Coloque e acender a luz LED para gravação clara com imagens de alta resolução na frente do gerador de ondas thermopower. Defina a velocidade de gravação de mais de 5.000 frames / seg.
4. Coloque um pirômetro óptico em uma posição específica para registrar as mudanças em tempo real na temperaturado compósito híbrido.
5. Aplicar ou irradiação com laser ou aquecimento Joule para inflamar o combustível químico no compósito híbrido.
   1. Foco laser (<1.000 mW) em uma posição específica sobre o compósito híbrido. Manter o foco por alguns segundos até que a combustão é iniciada no gerador de ondas thermopower.
   2. Preparar uma fonte de alimentação de alta corrente e um fio de níquel-cromo. Conecte o fio de uma fonte de alimentação de alta corrente (condições de funcionamento: 5 V e 3 A), e aquecer um fio de níquel. Faça contato suave entre o fio de níquel aquecida e combustível químico na composta híbrida até à combustão é iniciada no gerador de ondas thermopower.
6. Ligue a configuração de medição, que consiste de um sistema de alta velocidade microscopia, um osciloscópio e um pirómetro óptico, quando uma onda thermopower é lançado pelo gerador.
   1. Setup a taxa de quadros de gravação (5000 frames / seg) na câmara de alta velocidade. Gravação gatilho no início do thermopopropagação de ondas wer. Snapshots de discos em imagens fotográficas de alta velocidade com o sistema de microscopia de alta velocidade, e extrair o número de imagens gravadas do início ao fim da propagação da onda thermopower (NUMBER total de quadros).
   2. Grave o sinal de tensão do início ao fim da propagação da onda thermopower usando o osciloscópio. Extrai-se a pulsação da tensão de saída (V).
   3. Foque o pirômetro óptico na posição específica em um composto híbrido, que indica as áreas-alvo e medir as mudanças dinâmicas de temperatura (° C).
7. Calcula-se a velocidade de propagação de reacção por extracção a posição da frente de reacção a quadros individuais no sistema de microscopia de alta-velocidade.
   
   onde, l _h é o comprimento total do compósito híbrido, n _f é o número de quadros gravados do início ao fim da propagação da onda thermopower, e n _{o <}/ Sub> é a taxa de quadros de gravação.
8. Extrai-se os dados de tensão de saída a partir do osciloscópio e calcular a tensão de pico máxima, assim como a potência específica do impulso de tensão de saída. Utilizar a resistência eléctrica que foi medida no Passo 3.
9. Extrai-se a mudança de temperatura através do pirómetro óptico.

Resultados

A matriz MWCNT alinhados, como um material nanoestruturado do núcleo para ondas termelétricas, foi sintetizado por TCVD, ^11-13, conforme mostrado na Figura 4A. O diâmetro de MWCNTs-cultivadas como é de 20-30 nm (Figura 4B). O composto híbrido alinhado dos ácido pícrico / azida de sódio / MWCNTs é mostrado na Figura 5A. Este composto foi sintetizado por um processo de impregnação molhada, ¹⁴ como descrito na secção de protocolo. De modo...

Discussão

Os protocolos de experimentos onda termelétricas envolvem passos críticos que permitem a propagação da onda térmica ideal, bem como a geração de energia elétrica. Em primeiro lugar, a posição específica de ignição e a transferência correspondente reacção são factores importantes no controlo da conversão de energia a partir de ondas termelétricas. Ignition em uma extremidade do compósito híbrido lançado guiada combustão ao longo das interfaces entre os materiais de núcleo e combustíveis químicos...

Materiais

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