2021 Fiscal Year Research-status Report
新規フレキシブル熱電材料の開発に向けた選択的ナノ粒子形成による熱電物性制御
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21K14479
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
坂根 駿也 中央大学, 理工学部, 助教 (00882391)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 銅ナノ粒子 / 光還元法 / PEDOT:PSS / 熱電材料 / 導電性高分子 / ナノ構造 / ゼーベック係数 / 電気伝導率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フレキシブルな熱電材料として期待されるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)：ポリ(4-スチレンスルホン酸塩)（PEDOT:PSS）に注目し、光還元法を用いて銅ナノ粒子/PEDOT:PSSを合成することで、PEDOT:PSSの熱電物性を制御することを目的としている。本年度は、まず光還元法を用いてPEDOT:PSSで保護された銅ナノ粒子の合成を試みた。PEDOT:PSS分散液、超純水、エタノールを加えた混合溶液に酢酸銅を加え、紫外光を照射することで光還元法による銅ナノ粒子の合成を行なった。
紫外光照射後の溶液を乾燥させ走査型透過電子顕微鏡によって観察すると、粒径約10nm程度のナノ粒子が合成されていることが分かった。また、X線回折法を用いて結晶構造を分析すると、純銅の回折パターンのみが得られたことから、合成されたナノ粒子は純銅であることが分かった。以上により、光還元法によって銅ナノ粒子の合成に成功したことが分かった。しかし、合成した混合溶液を紫外可視分光法による測定を行なったところ、光照射前と比較してPEDOTのポーラロン、バイポーラロンに起因する吸収ピークが減少していることが分かった。このポーラロン、バイポーラロンはPEDOT:PSSの伝導性に大きく寄与するため、この吸収ピークが減少するのは望ましくない。そこでこの原因を調べるために、酢酸銅を含まないPEDOT:PSS、エタノール、超純水の混合溶液に対しても同様に紫外光を照射した。すると、酢酸銅を含む試料と同様にポーラロン、バイポーラロンに起因する吸収ピークが減少していることが分かった。この結果により、PEDOT:PSSに対して紫外光照射することによってPEDOTは還元され、ポーラロン、バイポーラロンが減少してしまうことが分かった。
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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
PEDOT:PSS分散液、超純水、エタノールを加えた混合溶液に酢酸銅を加え、紫外光を照射することで光還元法による銅ナノ粒子を合成した。X線回折法や走査型透過電子顕微鏡法により10nm程度の銅ナノ粒子の形成を確認した。ナノ粒子合成に成功した点については大きな進展であるといえる。しかし、銅イオンが還元されると同時にPEDOTも還元されてしまい、伝導性に大きく寄与するポーラロン、バイポーラロンが減少してしまったため、それを防ぐための工夫が必要である。
また、ナノ粒子合成と並行して薄膜作成とその評価についての準備も進めていた。PEDOT:PSS溶液をガラス基板上に塗布し、スピンコート法によってPEDOT:PSS薄膜を作成した。石英ガラス基板上に薄膜を作成することで、紫外可視分光法によって薄膜におけるポーラロン、バイポーラロンの存在を確認することができるようになった。また、薄膜の電気伝導率とゼーベック係数を測定するための装置を自作で設計し立ち上げたため、今後作成した薄膜の熱電物性を測定する準備を整えることができた。
ナノ粒子の合成に関しては課題が残っているが、薄膜作成と物性測定についての準備が整ったという点で順調に進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
酢酸銅を含むPEDOT:PSS分散液、超純水、エタノールを加えた混合溶液に紫外光を照射することで光還元法による銅ナノ粒子の合成に成功した。しかし、紫外光照射によってPEDOTも還元され伝導性に寄与するポーラロン、バイポーラロンが減少してしまうという問題があることが分かった。この原因は、PEDOT:PSSへ直接紫外光を照射することによってPEDOTが還元されるためであることが分かった。
そのため、今後はPEDOT:PSSに直接紫外光を照射せずに、銅ナノ粒子を合成した後にPEDOT:PSSと混合させる方法を考えている。例えば、酸化チタンの光触媒作用を用いて光還元法により銅ナノ粒子を合成し、PEDOT:PSSと混合させることでPEDOT:PSSで保護された銅ナノ粒子の合成を目指す。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染拡大の影響により、参加を計画していた国際会議が中止になってしまったことで使用額が減少し次年度使用額が生じた。現在、今後の研究の推進方策について記したように、当研究において研究方針の変更（使用試薬の変更）を考えており、次年度にそれに伴う新たな試薬や器具の購入に充てようと考えている。
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