Exploration of last-mile cooling device using PCET reaction

• Project Area: HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions
• Project/Area Number: 21H00017
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山田 鉄兵 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10404071)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 電気化学ペルチェ効果 / 熱電変換 / 熱化学電池 / PCET / 電気化学ペルチェ素子 / バナジウム / プロトン共役電子移動

Outline of Research at the Start

本申請では大きなプロトンの溶媒和エントロピーを熱化学電池の逆反応である電気化学ペルチェ効果に用い、全く新しい電子冷却素子の構築を目指す。電気化学ペルチェ効果とは、酸化還元活性種の溶液に電流印加することで反応エントロピーによる発熱・吸熱を生じる現象である。この電気化学ペルチェ素子にPCET反応性の化学種を用いることで、酸化還元に伴うエントロピー変化を増大し、十分に実用可能な冷却効果を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

近年空調のための電力使用とCO2排出は増加の一途をたどっており、その一つの解決手段として、人間の近くのみを冷却する局所冷却デバイスが求められている。本申請ではPCET型の熱化学電池の電解液を用いた電気化学ペルチェ効果の実証を目指している。
本年度は様々な熱化学電池のシステムに対して電気化学ペルチェ効果の測定を行った。これまでの電気化学ペルチェデバイスを改良し、印加した電流と得られる最大温度差が比例することを示した。またゼーベック係数が+0.35mV/Kのヨウ素系と、-1.42mV/Kの[Fe(CN)6]系とを用いると、温度差の符号が逆転し、最大冷却温度もほぼゼーベック係数に比例することが示された。第三に、冷却のメカニズムを、電気化学ペルチェ効果、ジュール熱および熱拡散によるとしてシミュレーションし、実測データとの良い一致を見ることに成功した。その結果、セル厚が大きいほど最大温度差が大きくなり、[Fe(CN)6]系では約3cm程の厚さで最大温度差が飽和することも明らかになった。
このように電気化学ペルチェデバイスの作成と効果の定量的な測定ができるようになった上で、プロトン共役電子移動反応を示すバナジウムアクア錯体を用いた測定を行った。その結果、これまでのベンチマークとなっている[Fe(CN)6]系よりも大きな最大温度差が得られることがわかった。これは、外部引加電流によりバナジウム錯体が酸化還元を受け、それに伴って行われるプロトンの授受が潜熱として冷却に寄与したためと考えられる。
以上より、電気化学ペルチェデバイスの実証と、PCETを用いることで最大の冷却効果が生じることの実証に成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Quantification of Polysulfide Species in Aqueous Sulfur Thermocell (2023)
  • Author(s): Wataru Takahagi, Norio Kitadai, Satoshi Okada, Hongyao Zhou, Ken Takai, Teppei Yamada
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 52 Issue: 3 Pages: 197-201
  • DOI: 10.1246/cl.220486
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Advancement of Electrochemical Thermoelectric Conversion with Molecular Technology (2022)
  • Author(s): Zhou Hongyao、Inoue Hirotaka、Ujita Mizuha、Yamada Teppei
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 2
  • DOI: 10.1002/anie.202213449
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Series of D?A?D Structured Disilane-Bridged Triads: Structure and Stimuli-Responsive Luminescence Studies (2022)
  • Author(s): Miyabe Hiroto、Ujita Mizuha、Nishio Masaki、Nakae Toyotaka、Usuki Tsukasa、Ikeya Minako、Nishimoto Chika、Ito Suguru、Hattori Mineyuki、Takeya Satoshi、Hayashi Shigenobu、Saito Daisuke、Kato Masako、Nishihara Hiroshi、Yamada Teppei、Yamanoi Yoshinori
  • Journal Title: The Journal of Organic Chemistry Volume: 87 Issue: 14 Pages: 8928-8938
  • DOI: 10.1021/acs.joc.2c00641
• [Journal Article] Super Mg²⁺ Conductivity around 10^?3 S cm^?1 Observed in a Porous Metal?Organic Framework (2022)
  • Author(s): Yoshida Yuto、Yamada Teppei、Jing Yuan、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi、Sadakiyo Masaaki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: - Issue: 19 Pages: 8669-8675
  • DOI: 10.1021/jacs.2c01612
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ion-selective adsorption of lead by a two-dimensional terbium oxalate framework (2022)
  • Author(s): T. Nankawa, Y. Sekine, T. Yamada
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: - Issue: 5 Pages: 825-829
  • DOI: 10.1246/bcsj.20220055
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis, Structure, and Photophysical Properties of Yellow-Green and Blue Photoluminescent Dinuclear and Octanuclear Copper(I) Iodide Complexes with a Disilanylene-Bridged Bispyridine Ligand (2021)
  • Author(s): Nakae Toyotaka、Miyabe Hiroto、Nishio Masaki、Yamada Teppei、Yamanoi Yoshinori
  • Journal Title: Molecules Volume: 26 Issue: 22 Pages: 6852-6852
  • DOI: 10.3390/molecules26226852
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] De Novo Synthesis of Free‐Standing Flexible 2D Intercalated Nanofilm Uniform over Tens of cm ² (2021)
  • Author(s): Ravat Prince、Uchida Hikaru、Sekine Ryosuke、Kamei Ko、Yamamoto Akihisa、Konovalov Oleg、Tanaka Motomu、Yamada Teppei、Harano Koji、Nakamura Eiichi
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: - Issue: 22 Pages: 2106465-2106465
  • DOI: 10.1002/adma.202106465
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quasielastic neutron scattering study on proton dynamics assisted by water and ammonia molecules confined in MIL-53 (2021)
  • Author(s): Miyatsu Satoshi、Kofu Maiko、Shigematsu Akihito、Yamada Teppei、Kitagawa Hiroshi、Lohstroh Wiebke、Simeoni Giovanna、Tyagi Madhusudan、Yamamuro Osamu
  • Journal Title: Structural Dynamics Volume: 8 Issue: 5 Pages: 054501-054501
  • DOI: 10.1063/4.0000122
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Luminescent Behavior Elucidation of a Disilane‐Bridged D?A?D Triad Composed of Phenothiazine and Thienopyrazine (2021)
  • Author(s): Nakae Toyotaka、Nishio Masaki、Usuki Tsukasa、Ikeya Minako、Nishimoto Chika、Ito Suguru、Nishihara Hiroshi、Hattori Mineyuki、Hayashi Shigenobu、Yamada Teppei、Yamanoi Yoshinori
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Issue: 42 Pages: 22871-22878
  • DOI: 10.1002/anie.202108089
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supramolecular Thermocells based on Thermo-Responsiveness of Host?Guest Chemistry (2021)
  • Author(s): Zhou Hongyao、Yamada Teppei、Kimizuka Nobuo
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 94 Issue: 5 Pages: 1525-1546
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210061
  • NAID: 130008053854
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High seebeck coefficient in middle-temperature thermocell with deep eutectic solvent (2021)
  • Author(s): Antariksa Naura Fakhira、Yamada Teppei、Kimizuka Nobuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 11929-11929
  • DOI: 10.1038/s41598-021-91419-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inversely polarized thermo-electrochemical power generation via the reaction of an organic redox couple on a TiO2/Ti mesh electrode (2021)
  • Author(s): Eguchi Hiroto、Kobayashi Takashi、Yamada Teppei、Rocabado David S. Rivera、Ishimoto Takayoshi、Yamauchi Miho
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 13929-13929
  • DOI: 10.1038/s41598-021-93269-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High Positive Seebeck Coefficient of Aqueous I^?/I₃^? Thermocells Based on Host?Guest Interactions and LCST Behavior of PEGylated α-Cyclodextrin (2021)
  • Author(s): Liang Yimin、Ka-Ho Hui Joseph、Morikawa Masa-aki、Inoue Hirotaka、Yamada Teppei、Kimizuka Nobuo
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 4 Issue: 5 Pages: 5326-5331
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c00844
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Carbonated nanohydroxyapatite from bone waste and its potential as a super adsorbent for removal of toxic ions (2021)
  • Author(s): Yurina Sekine, Takuya Nankawa, Teppei Yamada, Daiju Matsumura, Yoshihiro Nemoto, Masaki Takeguchi, Tsuyoshi Sugita, Iwao Shimoyama, Naofumi Kozai, Satoshi Morooka
  • Journal Title: Journal of Environmental Chemical Engineering Volume: 2 Issue: 2 Pages: 105114-105114
  • DOI: 10.1016/j.jece.2021.105114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Light‐Triggered, Non‐Centrosymmetric Self‐Assembly of Aqueous Arylazopyrazoles at the Air?Water Interface and Switching of Second‐Harmonic Generation (2021)
  • Author(s): Nagai Yuki、Ishiba Keita、Yamamoto Ryosuke、Yamada Teppei、Morikawa Masa‐aki、Kimizuka Nobuo
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Issue: 12 Pages: 6333-6338
  • DOI: 10.1002/anie.202013650
  • Peer Reviewed
• [Remarks] 研究室ウェブページ
  • URL: https://inorg.chem.s.u-tokyo.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 熱電変換用電解液、これを備える熱電変換素子、熱化学電池、温度調節装 置、および熱電センサー (2021)
  • Inventor(s): 山田鉄兵、君塚信夫、小林傑、的場史憲
  • Industrial Property Rights Holder: 山田鉄兵、君塚信夫、小林傑、的場史憲
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-163893
  • Filing Date: 2021