2020 Fiscal Year Research-status Report

非水溶液電析を用いる構造を制御した熱電変換薄膜の作製

Research Project

Project/Area Number	19K05111
Research Institution	University of Hyogo
Principal Investigator	山本宏明兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (40326301)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	非水溶液電解 / 熱電変換材料 / 電析法 / 鉄-アルミニウム合金
Outline of Annual Research Achievements	先行研究を参考に、64.0 mol%AlCl3-26.0 mol%NaCl-10.0 mol%KCl を基本組成として採用し，これにFeイオン源としてFeCl2 を加えたAlCl3-NaCl-KCl-FeCl2四成分系溶融塩を調製し、熱電変換機能を有するFe-Al系合金の定電位電解作製を試みた。溶融塩中のAlCl3とFeCl2のモル比を100：1～300：1と変化させ、電解電位を-0.1～0.5 Vとして定電位電解を行ったところ、0.8～34.5 mol%のAlを含有したFe-Al合金が得られることが分かった。電析物のX線回折（XRD）分析の結果、0.5～0.1 Vで得られた電析物はFeの（１１０）面に強く配向し回折ピークが検出された。また、電解電位が卑になるにつれAl含有量が増加し、Feの（１１０）面に対応したXRD回折ピークは低角側へシフトしたことからFeにAlが固溶した固溶体であることが分かった。一方、0 Vにおいて得られた電析物からはFe3Alに対応したXRD回折ピークが検出されたことからFe-Al系中間化合物が電析により得られたことが分かった。電解電位および溶融塩中のAlCl3とFeCl2のモル比により析出するFe-Al合金の組成および構造を制御できることが分かった。また、電解中のAlの部分電流密度を算出した結果から、本来なら単体のAlは析出しないような貴な電位においても，Feとの固溶体を形成するためにAlが析出することが明らかになった。本研究で作製したFe-Al 合金膜に温度差を与えたところ、その組成によって正または負の起電力が生じることが確認できた。正および負の起電力は，それぞれp型およびn型の熱電変換特性を有することを意味している。溶融塩の組成や電解条件は電析物の組成制御だけでなく，Fe-Al合金の熱電変換特性を制御するうえでも重要であることが確認できた。
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Fe-Al系熱電変換材料の電解作製について研究を行った。 Fe-Al合金は組成により結晶構造が変化し熱電変換特性が変化することが知られている。そのため、電解時の電解条件（特に溶融塩中のAlCl3とFeCl2のモル比および定電位電解の電解電位）がFe-Al合金の組成および結晶構造，さらには熱電変換特性に与える影響について明らかにすることができた。定電位電解では0.1～0.5 Vで定電位電解することでAlがFeに固溶したFe-Al固溶体が電析することが分かったが、この固溶体を形成するAl組成範囲内において熱電変換特性はp型からn型へと変化することが確認された。固溶体の組成によってこのような熱電変換特性の変化が生じる要因をDV-Xa分子軌道計算により算出した電子状態密度とフェルミ準位の位置の関係から明らかにすることができた以上より，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	2020年度の研究では、AlCl3とFeCl2のモル比を変えたAlCl3-NaCl-KCl-FeCl2溶融塩における定電位電解において、電解電位を制御することでFe-Al合金の組成や析出状態，さらには熱電変換特性を制御することが可能であることを明らかにした。Fe-Al合金ではAlを電析させるため溶融塩電解を行う必要があり，AlCl3を扱う際に不活性ガス雰囲気化で行うなど注意が必要であった。2021年度以降は，非水溶液からの電析法による熱電変換材料薄膜の作製について，電解を行う際の金属塩の扱いがより容易な材料について基礎的な研究を進めたいと考える。具体的にはBi-Te系熱電変換材料に着目し，非水溶液からの電解作製について研究を行い，その作製条件や熱電特製について調べる基礎研究を進める。
Causes of Carryover	コロナ感染症対策として学会が中止あるいはオンライン開催となったため，旅費や参加費として考えていた出張費が不要になったため，特に国際会議への参加を取りやめたため次年度使用額が生じた．次年度に試薬などの購入費の一部として使用したいと考える．