拉曼描述碳纳米管系统:缺陷探测,产物热处理,过程分析和催化剂(英文)

利用拉曼散射技术从多角度研究了碳纳米管合成系统。发现拉曼散射技术不仅可表征碳纳米材料本身的特性,而且可分析宏观的多壁碳纳米管与单壁碳纳米管的生长过程。针对不同的碳纳米材料的生长特性提出了催化剂与反应器设计及过程控制的研究方向。同时还发展了一种基于拉曼光谱法的定量测定单壁碳纳米管含量的方法。     

聚光光伏-热化学耦合利用系统热力学分析

本文建立了一种聚光光伏-热化学耦合利用系统的模型。系统利用抛物槽式聚光分频装置将光谱分成不同的两部分分别进行光伏和热化学转换,其中热化学模块以太阳能作为反应热驱动甲醇重整反应产生氢气进入燃气轮机发电。对系统进行了能量分析和拥分析,得出系统拥损失主要集中在光学拥损失,光伏模块能量转换过程的拥损失和热化学模块能量转换过程的拥损失这三项,分别占总损失的32.7%,32.2%和27.0%。研究了不同分频波段下的光伏模块输出功率、集热器甲醇转化率和系统发电效率,同时将该系统与相同条件下的纯光伏系统和纯热化学系统进行了性能比较。结果表明,系统发电效率最高可达26.0%,相应的最佳光伏匹配波段为450～870 nm,相比于同等条件下的纯光伏系统和纯热化学系统,系统发电效率分别提高了11.1和6.1个百分点。     

太阳能热光伏系统辐射器热设计

本文针对太阳能热光伏系统中的能量吸收模块,建立了不同结构的灰体辐射吸收器吸收太阳能及瞬态导热过程的数理模型.通过数值模拟获得了吸收相同太阳能时各辐射器的温度分布及能量泄漏量,结果表明在四种辐射器结构中,球形辐射器具有较好的辐射热性能,更适用于STPV系统;而通过将四种不同材料的选择性辐射器和灰体辐射器比较发现,选择性辐射器可显著减小辐射能量中的不可用部分,从而提高系统性能和稳定性.     

一种高效稳定的光伏LED照明系统设计

为提高光伏照明系统中太阳能电池的光能利用率,对太阳能电池输出进行最大功率跟踪。设计以最大功率跟踪芯片SM72442为核心的太阳能充电控制电路,采用光伏全桥驱动芯片SM72295驱动MOS管,构成同步Buck电路,实现太阳能输出最大功率跟踪;利用LED驱动芯片XL6005设计LED驱动电路。测试数据表明,太阳能光伏电池的充电效率平均达到87.92%,LED驱动电路效率最高为91.6%。系统工作稳定,能满足特定场合下的照明需求。     

碳纳米流体强化传热研究

在去离子水中分别添加了单壁、多壁碳纳米管材料,通过配比一定质量的亲水性分散剂,经超声波振荡试制了水基碳纳米流体。测试分析了不同碳纳米管材料质量分数下的纳米流体热导率和动力粘度等重要热物性参数。测试结果表明:碳纳米管粒子能够强化基液工质导热性能,随着其质量分数的增加,水基单壁、多壁碳纳米流体热导率均明显提高;单壁碳纳米流体粘度显著增加,多壁碳纳米流体粘度无明显变化,多壁碳管更适用于纳米流体强化传热。     

面向热界面应用的多壁碳纳米管阵列生长优化

由于杰出的导热和柔韧性能,碳纳米管被认为是提升大功率微电子系统热耗散性能的理想热界面材料。多壁碳纳米管阵列能实现低成本的大规模生产,成为制备热界面材料的最佳选择。但是多壁碳纳米管阵列的生长过程的最优因素尚未廓清。本文从实验上系统研究了催化剂的升华温度对浮动催化化学气相沉积法制备出的多壁碳纳米管阵列结构及热输运的影响规律,得到了最佳的催化剂升华温度,为实现最优导热性能的多壁碳纳米管阵列热界面材料提供实验指导。     

太阳能膜反应器燃料制取及联合循环效率分析

膜反应器是一种可在等温条件下连续运行的高效热化学反应器。基于膜反应器的甲烷重整吸热反应可利用太阳能作为热源制备更高热值的合成气,并可作为燃料提供给下游的联合循环进行发电,实现太阳能与化石能源的互补利用。本文对基于透氧膜的太阳能制取合成气系统建立理论研究模型,首先研究制取合成气的效率在不同热回收效率下随H_2O/CO_2比率变化的规律,然后讨论上游膜反应器的合成气产物热回收效率对于系统总发电效率的影响,并得到系统总效率的变化规律。膜反应器与常规甲烷重整反应系统相比,甲烷转化率和产气纯度更高,且燃料产物便于储存和运输。系统总发电效率为39.3%(太阳能聚光温度1200℃),具有实际应用潜力。     

单壁和多壁碳纳米管的硝酸氧化对比研究

利用同步辐射X射线近边吸收谱（XANES）分别对硝酸氧化处理后的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管进行了系统的对比研究。实验结果表明,单壁碳纳米管容易遭到硝酸的破坏,生成大量的碳碎片,氧化所产生的氧化基团大部分形成于碳碎片上,这些吸附在碳纳米管上的碳碎片可以通过氢氧化钠溶液的清洗、过滤去除。相比之下,结构稳定性更高的多壁碳纳米管在硝酸处理过程中则显得比较稳定,大量的氧化基团形成于碳管管壁上。这种不同结构碳纳米管的不同氧化结果可能会对碳纳米管的后续修饰和应用产生重要的影响。     

用于热光伏系统的近场辐射光谱控制表面结构

为提升近场热光伏发电系统的能源转换效率和发电功率,设计了Ⅲ-Ⅴ族半导体表面的矩形光栅结构,以实现从热发射器到热光伏电池的近场辐射热流选择性调制.使用在近红外波段具有表面等离子体激元特性的掺杂氧化锌作为热发射器,在GaSb热光伏电池表面添加亚微米二维光栅结构,在近场间距下形成与表面波耦合的陷光效应,由此有选择性地增强了电池能带内的光谱辐射热流.有别于以往类似研究中常用的等效近似方法,开展了时域有限差分方法模拟,能够严格考虑周期性结构细节,结合以涨落耗散理论为基础的Langevin方法,直接计算了复杂结构参与的近场辐射传热问题,以此揭示表面结构影响近场辐射传热的物理机理.结果显示使用带表面结构的薄膜GaSb电池,可使辐射热流的光谱峰值达到同温度远场黑体辐射源情况下的2.84倍,且热流增益区集中在波长略短于电池能带的窄波段区间,适应高效率、高功率热光伏系统对辐射传热设计的要求.     

二茂铁质量对气相爆轰法合成碳纳米管的影响

以甲烷和氧气作为爆源,二茂铁为前驱体,探究了不同前驱体质量对所合成的碳纳米管的影响。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等手段对碳纳米管的形貌和结构进行表征,结果发现:当二茂铁量较少时,只有碳包覆铁纳米颗粒存在;随着二茂铁质量的增加,逐渐有碳纳米管生成,其管径大多分布在10~50nm之间,为多壁碳纳米短管。随着前驱体质量的增加,碳纳米管的石墨化程度提高,结构缺陷也变少。通过对合成产物的热重分析可得,气相爆轰法所制备的碳纳米管具有强烈吸氧性,所得样品中碳纳米管的质量分数为26%左右。     

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.     

太阳能光伏热水系统的能量梯级利用

为了实现太阳能光伏发电系统中用于冷却太阳能电池的低品位热能利用,本文提出了太阳能光伏热水系统。通过对单体光伏光热系统(PV/T)的实验研究表明,在单体PV/T放置角度为30°,流量为200 L/h时,集热效率可达到最大值65.6%,系统的平均发电效率为14.3%,瞬时综合效率最大为83%,达到了能量的梯级利用。     

平板集热太阳热电器件建模及结构优化

太阳能热电转换是光伏效应外另一种直接将太阳辐射转变为电能的途径, 近年来已经成为太阳能利用的热点之一. 本文以Bi₂Te₃材料为基础构建平板集热太阳热电器件模型, 采用有限元法分析AM1.5辐射条件下器件温度分布情况, 并结合基于温度的物性参数计算集热比、热臂截面积与长度变化等因素对器件的开路电压、 最大输出功率及转化效率的影响. 研究发现: 集热比与热臂长度的变化对器件性能有显著影响, 热臂截面积的变化对器件转化效率影响相对较弱; 在这一模型中, 平板集热太阳热电器件的转化效率达到1.56%.     

聚光光伏与甲醇重整热化学互补发电系统性能研究

本文提出了太阳能光伏电池与甲醇中低温重整反应相结合的发电系统;通过太阳能的梯级利用以及物理能与化学能之间的品位耦合,太阳能净发电效率较单一光伏或甲醇热化学发电方式获得显著提升。热力学分析表明,在100~250℃C的系统运行温度范围内,系统的理论太阳能净发电效率达43.6%~44.3%(已考虑光学损失),显著高于光伏系统(22.5%)及热化学系统(32.7%)。系统约50%的太阳净发电量来自甲醇重整产物氢气,以化学能形式实现了太阳能的高效储能,且光伏、热化学发电随温度变化的相反趋势间互补达到了稳定输出的效果。此外,系统产生的电能中约25%来自太阳能,高于单一太阳能甲醇热化学发电系统的14%,对化石能源的依赖度降低。光伏与热化学互补发电为太阳能高效综合利用提供了新的思路。     

近场热光伏和热辐射电池系统中熵的应用

近场辐射换热能够极大地提高热光伏和热辐射电池系统的输出电功率,因此研究近场热光伏和热辐射电池系统的转换效率具有重要意义。本文通过计算近场效应影响下的辐射热流和熵流,给出了近场热光伏和热辐射电池系统的最大理论转换效率,并与实际转换效率对比。结果发现在近场热光伏和热辐射电池系统中,纳米线、纳米孔两种微结构和双曲线材料相比平板和电介质,不仅有更强的辐射热流,而且有更高的理论效率。但是在实际过程中,由于近场热光伏和热辐射电池系统中光谱辐射热流的峰值频率小于电池能带间隙所对应的频率,所以其实际效率低于最大理论效率。本工作为近场热光伏和热辐射电池系统的转换效率提供了一个理论极限。     

基于碳纳米薄膜/砷化镓范德华异质结的高性能自驱动光电探测器研究

基于碳纳米材料/体半导体范德华(vdW)异质结的光电器件可以同时实现碳纳米材料的超高载流子迁移率以及体半导体的优异光电性能,且具有结构简单、工艺简便、易于调控界面等优点.尤其是通过调控单壁碳纳米管(SWCNT)的直径/手性、费米能级等可以与体半导体形成能带匹配、具有原子级界面的新型混合维度vdW异质结.本文报道了一种基...     

外加电场作用下碳纳米管结构稳定性及结构修饰研究

利用外加电场的方法，对多壁碳纳米管的结构稳定性进行了研究.结果表明当场强达到30 V/nm时，碳纳米管端部的结构失稳，端部碳原子间的π键被打开，外部原子开始进入到碳纳米管的结构中.利用电子显微镜作为纳米加工仪器，通过外加电场的方法在多壁碳纳米管的端部制备了非晶态碳纳米线，形成碳纳米管-纳米线复合结构.碳纳米管和纳米线结合处的σ键作为绝缘界面，形成了电子输运的势垒.     

碳纳米管的近边吸收谱研究

用X射线近边吸收谱研究了单壁, 双壁和多壁碳纳米管在超高真空系统中不同温度下退火处理后的行为.碳的K边吸收谱表明, 多壁管上吸附的杂质将在热处理过程中最先被去除, 其次是双壁管, 最后是单壁管.这种热处理下杂质去除的顺序说明了曲率越小杂质吸附得越牢靠, 即越容易吸附杂质.另外, 结果中显示, 经退火处理后3种碳纳米管在多重散射区域的峰结构呈现规律性的移动,由单壁管到多壁管, 谱峰向低能方向移动; 这是由于碳纳米管的层数不同造成的, 证明这部分谱峰结构直接受到碳纳米管层数的调制, 有利于鉴别3种碳纳米管.     

多壁碳纳米管薄膜的压阻效应研究

对多壁碳纳米管薄膜的压阻效应进行了研究. 实验所用的多壁碳纳米管用热灯丝化学气相沉积法合成, 压阻效应用三点弯曲法测量. 研究发现: 在室温下与500微应变内, 原始的多壁碳纳米管薄膜无明显压阻效应, 而经化学修饰处理的碳纳米管膜的压阻因子最高可达120左右, 大大超过多晶硅(Si)在35°C时的压阻因子30, 并且压阻因子与制备方法密切相关. 重点讨论了多壁碳纳米管薄膜产生压阻效应的机制.     

多壁碳纳米管中的多通道弹道输运特性

借助于扫描电子显微镜中可移动金属探针的测量系统,实现了探针电极与W衬底上生长的单根多壁碳纳米管一端的完美接触.研究了单根多壁碳纳米管室温下的电输运特性,发现多壁碳纳米管具有非常高的电流承载能力.对于直径100nm的碳纳米管,其电阻为34.4Ω,流经碳纳米管的最大电流可达7.27 mA,对应的电导为 460-490G0 .这一实验结果表明,大直径的多壁碳纳米管在室温下可以实现多通道弹道输运,是未来纳电子器件与电路的理想互联导线.