熱・電気伝導率の独立制御に向けた金属酸化物ナノ多孔体の細孔壁の精密制御
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22K14481
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
松野 敬成 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (80907098)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 金属酸化物 / ナノ多孔体 / 鋳型法 / 熱電変換材料 / シリカナノ粒子 / シリカコロイド結晶 / 酸化インジウムスズ / 金属酸化物ナノ多孔体 / 熱伝導率 / 電気伝導率 |
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| Outline of Research at the Start |
金属酸化物材料の熱・電気伝導率を独立制御することは熱電変換材料の設計に資する重要な課題である。ナノ細孔の導入は熱伝導率の低減に有効であることが知られているが、同時に電気伝導率の低下が生じる。これは結晶粒界でのキャリア散乱および高い空隙率による導電パスの減少が主な要因である。そこで本研究では金属酸化物ナノ多孔体を結晶成長させる、というアプローチにより結晶粒界の低減と細孔壁の厚さ・空隙率の制御を同時に行い、熱・電気伝導率の実測によりナノ構造設計の有効性の実証を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電変換材料は熱から電気を直接回収でき、未利用エネルギーの活用手段として期待されているが、大気中で安定な酸化物系材料の実用に向けては特性の向上が必須である。材料へのナノ細孔の導入による熱伝導率の低減は熱電性能向上に向けた方法の一つとして知られているが、同時に生じる電気伝導率の低下が問題となる。これは結晶粒界でのキャリア散乱および高い空隙率による導電パスの減少が主な要因である。そこで本研究では、金属酸化物の熱伝導率を低減しつつ副次的な電気伝導率低下を抑制することを目的として細孔構造の精密制御を行う。金属酸化物ナノ多孔体を結晶成長させる、という新規なコンセプトに基づくアプローチにより結晶粒界の低減と細孔壁の厚さ、空隙率の制御を同時に実現することが期待でき、熱・電気伝導率測定によりナノ構造設計の有効性の実証を目指す。
本年度は、酸化インジウムスズ(ITO)について組成およびナノ構造制御を行った。ITOは金属酸化物の中でも比較的導電性が高く物性測定・比較検討が容易と考えられるため、本研究のコンセプトを実証するための組成として選定した。球状シリカナノ粒子が規則的に集積したナノ多孔体中でITOを形成させ、塩基処理によってシリカを選択的に除去することでITOナノ多孔体を得た。スズの含有量が仕込み比よりも減少することが確認されたが、前駆体の熱分解条件を検討した結果、概ね仕込み比通りの組成でITOナノ多孔体を作製できた。次に、得られたナノ多孔体の細孔内にITO前駆体を含浸させ、加熱することで細孔内部でのITO結晶の析出を試みた。多孔体粒子をエッチングして内部の構造を観察したところ、細孔内部までITOナノ粒子が形成したことが確認された。本手法により空隙率を調整できる可能性がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
細孔構造を制御して細孔壁の厚さを変化させたITOナノ多孔体を合成し、放電プラズマ焼結で得られた焼結体の熱伝導率測定により、細孔壁の厚さと熱伝導率の相関について知見が得られている。また、目的組成よりもスズが少なくなる問題が確認されたが、合成条件の検討により改善し、ナノ多孔体内部でのITOナノ結晶の形成も確認できたことから、概ね計画通りに進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度では引き続きナノ多孔体の結晶成長による空隙率制御とその分析を実施し、細孔径・細孔壁厚さ・空隙率の制御されたナノ多孔体を焼結して熱・電気伝導率を測定することでナノ構造と物性の相関について更なる知見の獲得を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
