Fabrication of Thermoelectric Conversion Materials Using Soil Clay Minerals
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22K19001
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
本田 充紀 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究副主幹 (10435597)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村口 正和 北海道科学大学, 工学部, 准教授 (90386623)
小田 将人 和歌山大学, システム工学部, 講師 (70452539)
石井 宏幸 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00585127)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
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| Keywords | 風化黒雲母 / 熱電変換材料 / 溶融塩 / 土壌粘土鉱物 / 熱電材料 / 熱電物性 / X線分析 |
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| Outline of Research at the Start |
熱電材料は無益な排熱を有用な電力へ変換する材料である。高い変換効率材料の多くは希少・有毒・高価で実用性に難がある。代替材料として注目されるMg-Si系やFe-Al系も合成過程が複雑という課題がある。代表者は溶融塩法を用いて汚染土壌から放射性Csを除去する研究過程で土壌粘土鉱物からMg2Siより高い熱起電力をもつ鉱物が出来ていることを偶然発見した。本研究では溶融塩法の各条件を系統的に変えてできた多結晶鉱物に対し種々のX線分析と第一原理計算を駆使し結晶構造を同定する。さらに構造と物性の相関を熱電３物性計測（ゼーベック係数、電気抵抗率、熱拡散率）から明らかにし効率よく熱電材料生成条件を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、我々が福島第一原子力発電所事故による放射性Cs減容化技術を基軸とした溶融塩技術を駆使することで、土壌粘土鉱物から選択的に様々な材料を調整し、新しい熱電変換材料を創出することです。
本年度は、黒雲母が風化した構造として知られる福島の風化黒雲母と混合塩(NaClやCaCl2など)を加熱処理して得られる粉体材料から焼結体の調整を行い熱電特性を評価しました。具体的には、グラインド機や遊星ボールミル機を用いた粉砕および水ひ作業により風化黒雲母の粒子半径を5マイクロメートル以下とした。その後CsCl水溶液中でCsを風化黒雲母へ吸着させて乾燥させた試料と粉末の塩とを混合し環状型加熱炉により加熱しました。
この結果、風化黒雲母とはことなる構造をもつ複数の結晶が合成されることが示されました。X線回折では風化黒雲母由来の回折ピークが消失し、エネルギー分散型X線分光法による元素マップ解析では、結晶由来特有の元素が高分散している様子が観測されました。これは、比較のために行った塩を添加しないで加熱した結果とは大きく異なる興味深い結果です。
本研究は、風化黒雲母をそのまま加熱するのではなく塩を添加することで種類の異なる複数の結晶をもつ材料創出を実現できたことになります。この材料を焼結し熱電特性を詳細に解析し、これまでにない新しい熱電変換材料としての特性の最適化を行っていく予定です。これらの研究成果については現在特許出願へむけた準備中となっており、次年度早々にも出願へ進める予定です。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、黒雲母が風化した構造として知られる福島の風化黒雲母と混合塩(NaClやCaCl2)を加熱処理して得られる粉体に対する焼結体の形成に成功しました。今後熱電3特性(電気伝導率、ゼーベック係数、熱拡散率)を詳細に解析し、これまでにない新しい熱電変換材料としての特性の最適化を行っていく予定が切り拓かれました。またこれらの研究成果については特許出願準備中となっており、おおむね順調に研究が進展しています。
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| Strategy for Future Research Activity |
風化黒雲母と塩を混合し加熱処理して得られる材料を焼結し熱電3特性(電気伝導率、ゼーベック係数、熱拡散率)を詳細に解析し、これまでにない新しい熱電変換材料としての特性の最適化を行います。
得られた材料についてはX線回折法により構造を解析し、合わせてエネルギー分散型X線分光法による元素マップ解析により元素分布、X線吸収分光法による局所構造に関する情報を得る予定です。
このようにして得られた結晶構造から第一原理計算チームと連携し、密度汎関数法を用いて電子状態・ゼーベック係数の計算を行う予定です。また混晶比を変えたモデルに対して解析を行い、高い熱電物性を発現する組成比・構造を探索します。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
