2020 Fiscal Year Research-status Report
Creation of High Performance Thermoelectric Materials by Synthesis of Novel Cobalt Layered Compounds with Low Thermal Conductivity and Its Sintering
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18K14031
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| Research Institution | Ube National College of Technology |
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Principal Investigator |
茂野 交市 宇部工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (60707131)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / 層状化合物 / 熱伝導率 / セラミックス / 酸化剤 / 焼結 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電モジュールは温度差を起電力に変換できる熱電材料等によって構成され、材料特性次第では太陽電池を凌ぐ出力密度のポテンシャルを有する。我々は最近、セラミック系熱電材料では最高レベルの性能を持つCo層状酸化物であるNaxCoO2粉末を出発物質とし、ソフト化学プロセスである酸化還元 (Redox) 法による層間距離の制御を検討した。その結果、出発物質よりも層間距離が狭い新規Co層状化合物の合成に成功しつつある。新規化合物を用いた成形体の熱伝導率は出発物質の約40 %の低い値であり熱電材料として有望であることを見出した。ただし新規化合物は熱安定性に問題があり、緻密に焼結しようとすると層状構造が崩壊する。そこで本研究の目的を「狭い層間距離を有する新規Co層状化合物の合成とその緻密化手法の確立」とした。
今年度は、NaxCoO2 (x=0.80) 粉末 (以後NCOと略す) を出発物質とし、昨年度とは異なるRedox法によりCo層状化合物の層間距離の時間変化 (変遷) を追うことに成功した。具体的には、酸化剤として過硫酸ナトリウムを添加・撹拌することにより、まずNCOよりも層間距離の広い2層水和物 (BLH) が生成し、その後、NCOよりも層間距離の狭い新規化合物 (層間に水素イオンが挿入されているHCOと推定) となることがわかった。また、後述するが、今年度は焼結実験ができなかったため、焼結前の成形体の熱電特性を測定した。その結果、BLHや上記新規化合物の常温での熱電特性はNCOの値を上回っていた (あくまでも成形体同士での比較)。つまり、緻密な焼結体を実現できれば、高性能熱電材料としての可能性があることを示唆するデータが得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2020年1月以降、COVID-19の影響により所属部署外での焼結実験が困難になっている。そのため、2020年度は焼結前のセラミック粉末合成を中心に研究を進めざるを得ない状況であった。2021年度早期のCOVID-19の終息による研究加速が望まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究期間内に明らかにすることは「狭い層間距離を有する新規Co層状化合物の高性能熱電材料としての可能性検証」である。
(A) 合成したCo層状化合物粉末の緻密体の作成方法の確立
水熱条件下での焼結プロセスを用いることによって、常圧焼結では成し得なかったセラミックスとしては超低温 (300 ℃未満) での緻密化の可能性があることがわかってきた。そこで、さらに焼結助剤などの添加物を加えることで焼結性や熱電特性に及ぼす影響を明確化する。
(B) 合成した粉末及び緻密体の熱電特性の測定及びキャラクタリゼーション
自作した装置を用いて上記Co層状化合物の熱電特性を測定する。種々の分析手法を取り入れて熱電特性と微細構造との関係を明確化する取り組みを行う。また、上記水熱条件下での緻密化のメカニズムの一端を解明するための分析も行う。
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| Causes of Carryover |
焼結実験及び一部の特性測定・分析を所属機関外で行っているが、2020年度はCOVID-19の影響により所属部署外での実験が極めて困難であった。そのため、2021年度は、2020年度に実施できなかった実験のための費用及び旅費等にあてる予定である。また、得られた成果を論文として発表するための費用にもあてる予定である。
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Research Products
(2 results)
