| Project/Area Number |
23K26057
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| Project/Area Number (Other) |
23H01362 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
八木 貴志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (10415755)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡島 敏浩 公益財団法人科学技術交流財団(あいちシンクロトロン光センター、知の拠点重点研究プロジェクト統括部), あいちシンクロトロン光センター, 副所長 (20450950)
竹谷 敏 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 上級主任研究員 (40357421)
重里 有三 青山学院大学, 理工学部, 教授 (90270909)
野村 政宏 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10466857)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000)
Fiscal Year 2026: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 水素化物 / 熱伝導率 / スイッチング / 薄膜 / 水素化 |
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| Outline of Research at the Start |
金属と水素化物の間を自在に制御できるスイッチングミラー材料は、熱の担体が自由電子から格子振動（フォノン）に切り替わることで巨大な熱伝導率変化を発現する。高度な熱伝導率スイッチは、熱を時空間的に自在に制御することを可能とし、これまで捨てられてきた廃熱をエネルギーとして有効活用する社会の実現につながるものである。本研究では、希薄水素ガスや電気化学セルを用いたその場熱伝導率計測技術とその場構造解析技術を駆使し、熱伝導率の変化率、応答速度および可逆特性に秀でた水素化金属の探索とその微細構造の最適化を行い、究極の目標である水素化反応を用いた全固体型熱伝導率スイッチの実現に向けた基礎を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度は、スイッチング時の体積変化の抑制として、希土類Gd膜の2水素化物と3水素化物間のスイッチ制御が有効であることを示した。今年度は新たにSmの2⇔3水素化物のスイッチ特性を検証した。水素導入スパッタリングによりSmH2膜を合成し、in-situXRDで希釈H2ガスを用いた3水素化物化および大気開放による2水素化物への変化を測定した。2θ＝29°におけるCaF2構造のSmH2(111)ピークは、3水素化物でわずかに低角度側へシフトし、大気開放後ほぼ報告値と一致する29.5°となった。これは水素化物間で結晶構造転移は起きず、侵入型プロトンによる電荷補償が主に生じ、2水素化物に戻ると内部応力が緩和すると予想される。希釈H2ガスとKOH電界液を用いた電気化学制御の2手段を実施し、最高で約8倍の熱伝導率コントラストを得た。断面TEMおよび表面AFMから、スイッチング前後で構造の乱れは見られずSm系は良好なサイクル性が期待される。
Mg合金系は、良好な熱伝導スイッチング特性を有するが、主成分のMgがアモルファスまたは微結晶であり、スイッチング時の役割が不明であった。そこで純Mg膜の熱伝導スイッチ特性を調査した。成膜直後のMg膜は23 W/(m K)と他より高い熱伝導率を示し、水素化することで約1/4に熱伝導率が低下した。しかし水素化・脱水素化を繰り返すことで著しい熱伝導率コントラストの低下が見られ、XPSにより徐々にMgOの存在比が増えていくことが明らかとなった。Mg系の合金化元素はMgの酸化防止の役割として重要であることが分かった。
これまでにSm系、Gd系およびMg合金系において、電気化学的なスイッチング制御が可能であることが実証できた。これをもとに次年度以降は固体電解質およびプロトン貯蔵層と組み合わせたスイッチング素子の実証研究を予定する。
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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
計画に挙げたSm系はスイッチング特性のみならず、スイッチ前後の構造が安定しておりサイクル性に期待される材料であることを明らかにした。繰り返し特性においては触媒であるPd層の安定性が重要であり、In-situ XRDとXAFSによる検証で理解が深まった。拡散防止層の導入を検討するなど、性能向上に対する指針が定まりつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度の研究は以下の3点に注力する。
・高い熱伝導率コントラストが期待できるMg合金系において新規の合金組み合わせを検証
・希土類系においてサイクル特性の向上を主眼とした膜構造の改良
・固体電解質および固体プロトン貯蔵層を積層した固体熱伝導率スイッチ素子の試作
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