2015 Fiscal Year Research-status Report

溶融塩電解を用いたFe-Al系低次元熱電変換デバイスの新規作製プロセス

Research Project

Project/Area Number	15K06525
Research Institution	University of Hyogo
Principal Investigator	山本宏明兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40326301)
Project Period (FY)	2015-10-21 – 2019-03-31
Keywords	溶融塩電解 / 鉄-アルミニウム合金 / 熱電変換材料 / 電解作製 / 合金薄膜
Outline of Annual Research Achievements	安価なコモンメタルから構成されるFe-Al二成分系熱電変換材料を電解作製するため，ルイス酸性組成である64.0 mol%AlCl3-26.0 mol%NaCl-10.0 mol%KCl を基本組成として，また，FeCl2 を鉄イオン源として採用した。AlCl3とFeCl2のモル比を100：1とした63.59 mol%AlCl3-25.83 mol%NaCl-9.94 mol%KCl-0.64 mol%FeCl2四成分系溶融塩を調製し電解浴として用いた。この溶融塩中でサイクリックボルタンメトリーを行ったところ，FeCl2に起因するFeイオン種およびAlCl3に起因するAlイオン種の還元・酸化挙動が観察された。そこで，50～250 Am－2の電流密度で定電流電解したところ，電流密度が高くなるにつれ，電析物中のAl含有量は0.40 mol%～7.20 mol%へと増加した。X線回折分析の結果，これらの合金はAlがFe格子中に固溶したFe-Al 合金であることが分かった。次に，AlCl3とFeCl2 のモル比を変えたAlCl3-NaCl-KCl-FeCl2四成分系溶融塩において100 Am－2の定電流電解を実施し，Fe-Al合金電析を試みた。その結果，溶融塩中のFeCl2 濃度が0.5 mol% 以下となると，電解により得られる電析物中のAl含有量は著しく増加し，様々な組成のFe-Al 合金（最大約75 mol%のAlが含有するFe-Al合金）が得られることが明らかとなった。本研究で作製したFe-Al 合金膜に，温度差を与えると起電力が生じたことから，熱電変換機能を有した電析薄膜を作製できたことが確認できた。また，その熱電変換特性は，Al含有量が3 mol%程度になるとp型からn型へ，約20 mol%以上になると再びp型へと変化した。溶融塩の組成および電解条件と，電解により得られるFe-Al 合金組成の関係を明らかにすることができ，熱電変換特性を制御したFe-Al 合金の溶融塩電解作製が可能となった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は，溶融塩電解を用いて熱電変換特性を制御した鉄-アルミニウム合金を電析するために，適切な溶融塩組成を選択すること，各金属イオンの析出挙動を把握すること，電解条件と電解作製した合金組成との関係を明らかにすることを目的とした。まず，平滑なAl電析が可能なルイス酸性組成である64.0 mol%AlCl3-26.0 mol%NaCl-10.0 mol%KCl を基本溶融塩組成として採用し，鉄イオン源としてFeCl2 を選択したことで，Fe-Al合金が可能であることを見出すことができた。そのため，Fe-Al合金電析に適切な溶融塩組成を選択できたと考える．次に，電気化学測定の一種であるサイクリックボルタンメトリーにより，FeCl2に起因するFeイオン種およびAlCl3に起因したAlイオン種の還元・酸化挙動を観察することができた。AlCl3-NaCl-KCl-FeCl2四成分系溶融塩からのFeおよびAlの析出挙動の理解に役立てることができた。最後に，電解により得られるFe-Al合金の組成を大きく左右する溶融塩組成，特に溶融塩中のAlCl3とFeCl2のモル比を検討することで，様々な組成のFe-Al合金が得られる条件を明らかにすることができた。また，本研究で得られたFe-Al合金薄膜のゼーベック係数を測定したところ，合金組成によりp型およびn型の熱電変換特性を有することが確認できた。このことから，熱電変換特性を制御したFe-Al合金電析を行うための基礎条件に関する知見を得ることができたと考える。以上より，本年度に目的とした事項をおおむね達成できたと考える。
Strategy for Future Research Activity	平成27年度の研究では，AlCl3-NaCl-KCl-FeCl2溶融塩において，Fe-Al合金が得られ，その組成を制御するための溶融塩組成条件や電解条件を明らかにすることができた．FeとAlの電析では，Feの電析のほうがはるかに容易であり，Fe-Al電析物中のAl含有量を増加させるためには溶融塩中のFeCl2濃度をかなり低く抑える必要がある．しかしながら，溶融塩に添加するFeCl2を機械的に少なくするには限度があり，また，連続した電解作製を行うにあたって，溶融塩中のわずかなFeCl2濃度の低下は，電析物の組成に大きな影響を与えることが懸念される．そのため，Fe金属塩濃度がより高い溶融塩においてもFe-Al合金の組成制御が可能になることは重要と考える．準備段階として実施した研究では，AlCl3-NaCl-KCl-FeCl2溶融塩に，多価アルコールの一種であるエチレングリコールやグリセリンを添加すると，Fe-Al合金電析物中のAl含有量は大きく増加することが分かった．無機系溶融塩へのこれらの添加は，Fe-Al合金の組成制御をさらに容易にすることが期待できる．そこで，この研究を推進し，AlCl3-NaCl-KCl-FeCl2溶融塩へのエチレングリコールやグリセリンの添加について，その添加量や溶融塩中のイオン種の還元析出に与える影響，電析物組成に与える効果について調べる．
Causes of Carryover	本助成研究は，平成27年10月に追加内定を受けた．その時点から3月までの間に無理なく助成額を使用する計画を立て，おおむね執行したが，学会参加の予定を変更したため，旅費等の支出を見直した．無理に予算を執行するのを避けたため，次年度使用額が生じた．
Expenditure Plan for Carryover Budget	試薬，金属試料，ガスの購入など物品購入の一部にあてる．