2020 Fiscal Year Research-status Report
低温排熱を有効利用する有機/無機ハイブリッド熱電変換材料の創製とモジュール開発
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19K05633
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
白石 幸英 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (60289303)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浅野 比 山陽小野田市立山口東京理科大学, 共通教育センター, 准教授 (60389153)
秦 慎一 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 助教 (20796271)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 熱電変換材料 / シクロデキストリン / ホスホニウム塩型界面活性剤 / コロイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
モノのインターネットを実現するための課題は、電源の確保であるが、電池交換、充電操作、電源配線などが容易ではない場所も多い。その電源技術のひとつと して注目されている技術が、熱、光、振動などを「ハーベスト」して、電力に変換する技術である。熱から電力を取り出す「熱電変換技術」は、可動部がないた めメンテナンスフリーで長寿命、設置も容易な点で注目されている。本研究は、カーボンナノチューブ(CNT)/ナノ材料の界面を精密制御することで、p型およびn 型熱電特性を示す新規ハイブリッド材料を創製し、高い熱電特性を示すフレキシブルなモジュールを開発するものである。
1) p型熱電材料:ポリ(シクロデキストリン)/ナノカーボンによるハイブリッド熱電変換材料の創製
本研究では、ポリ(シクロデキストリン)で安定化した銀コロイド粒子を創製し、改良直噴熱分解法で合成されたCNTとの複合膜の熱電特性について検討した。Ag/CNT複合膜の熱電特性を評価したところ、ゼーベック係数は減少したが、一方、導電率は大きく増加し、これに伴いパワーファクターが向上した。この向上は、CNTとAgコロイド間のパスが形成されたためであると思われる。
2) n型熱電材料:ホスホニウム塩型界面活性剤ドープCNTの調製と熱電特性
従来の界面活性剤ドープCNTの有機熱電特性に関する報告では、有機溶媒に溶解させた四級アンモニウム塩を使用した研究に限られており、さらなる特性改良が必要とされているにもかかわらず、水系における界面活性剤と分子内のアルキル鎖長の本質的な機能・役割についてはほとんど注目されていなかった。本研究では、熱安定性の高いホスホニウム塩系に着目し、その界面活性剤のアルキル鎖長がCNTのキャリア特性および熱電特性に与える影響を調べ、n型CNTの化学的安定性を検討した。
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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
1) p型熱電材料:
TEM観察の結果、調製したポリ(シクロデキストリン)で安定化したAgコロイド粒子(PCyD-Ag)の平均粒子径(標準偏差)は、5.6 nm(1.7 nm)で、均一であった。PCyD-Ag分散液に カーボンナノチューブ(CNT)を混合し、複合膜を作製した。XRD測定より、Ag由来のピークがAg/CNT複合膜に観察された。Ag/CNT複合膜の熱電特性を評価したところ、ゼーベック係数は減少したが、一方、導電率は大きく増加し、これに伴いパワーファクターが向上した。この向上は、CNTとAgコロイド間のパスが形成されたためであると思われる。更なる熱電特性向上を目指し、複合膜の焼成を検討した。その結果、パワーファクターは、2.0倍に向上した。焼成による熱電特性の向上は、保護剤であるPCyDが分解し、CNT表面上にAgが露出したためと考えられる。
2) n型熱電材料:
熱電評価装置により系統的に調べた結果、CNT の半導体特性はどのホスホニウム塩型界面活性剤を用いた場合でも n 型を示した。ホスホニウム塩型面活性剤の疎水鎖長が長くなるにつれて緻密な製膜状態になることがSEM観察からわかり、それに応じてフィルムに高い電気伝導性が付与された。その結果、 P-C12ドープCNTではn 型の優れた性能出力因子を示し、この値は既報の値と比べても優れていた。次に、ホスホニウム塩型界面活性剤/CNTの接合状態を確かめるために、ドーパント剤のリーク試験として、水中条件下にてこのn型安定性を追従した。その結果、ゼーベック係数はキャリアが電子である負の値を約1ヵ月間示し、 パワーファクター値も十分に維持された。
これらの熱電材料は、高い安定性と高い出力を付与しており、上述の進歩状況と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は、有機材料と無機材料とのハイブリッド化によるハイブリッド熱電材料の飛躍的な性能向上と、p型半導体および、n型半導体から成るπ型フレキ シブル熱電変換モジュールの作製である。我々は予備的に、p型半導体のみから成るユニレグ型の熱電変換モジュールを作製している。しかし、熱電変換モ ジュールは、p型半導体とn型半導体の両方からなるπ型熱電変換モジュールの方が、配線は短く、単位面積当たりの素子数が多く効率に優れる。π型熱電変換モ ジュールを開発するためには、p型半導体の更なる熱電特性の向上と、空気下で安定かつ高性能なn型半導体の熱電材料が必要である。これには、主要材料である CNTの性能に強く依存するため、CNTの性能の改善が必須である。令和２年度は、p型半導体特性および、n型半導体特性を示すそれぞれの材料開発に成功した。令和3年度は、π型モジュールの試作を検討する。その際、モジュールにおける 温度に対する開放電圧と発電特性を調べ、適宜 pn素子対の依存特性と個々の材料の最適化に取り組む。また材料性能は、母体材料であるCNTの電子状態が重要となるため、実験的手法のみならず、計算化学的 手法を取り入れることで、研究速度の向上を図る予定である。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの影響で、2020年は７月まで大学院生・卒研生の学内への入構が制限されたため、消耗品などの使用が例年より少なかった。また、海外出張および国内出張もオンライン化されたため、旅費がゼロとなった。2021年度は、今のところ学生の入構制限がないため、研究費を適切に使用できると考える。
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