2023 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of Thermoelectric Conversion Materials Using Soil Clay Minerals
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22K19001
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
本田 充紀 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, マネージャー (10435597)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村口 正和 北海道科学大学, 工学部, 准教授 (90386623)
小田 将人 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (70452539)
石井 宏幸 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00585127)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 風化黒雲母 / 熱電変換材料 / 溶融塩 / 高温 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、放射性Cs汚染土壌の減容・再利用研究で培われた溶融塩技術を、低環境負荷な元素で構成される熱電変換材料(以下：熱電材料)創製に応用するものである。土壌を利用した熱電材料の有用性を示すには、性能を正しく算出する必要がある。熱電材料の性能は無次元性能指数ZTで表され、具体的には（ZT = ゼーベック係数の二乗×導電率×絶対温度÷熱伝導率）となる。ZTは、従来法では、導電率/ゼーベック係数の測定と、熱伝導率の測定は異なる試料形状が必要であり個別に測定を行っていた。そのため得られるZTの信頼性に問題があった。そこで今回、熱電3物性を同時測定できる熱電特性評価装置特型 (OZMA-1-S1, オザワ科学社, 日本)を導入した。この装置は同一の試料形状でそれぞれの物性測定が可能であり、高い信頼性が期待できる。
今回、独自に開発した溶融塩法（NaCl-CaCl2混合塩やKCl-CaCl2混合塩）を活用し、粘土鉱物から各種結晶鉱物を合成した。得られた試料を加圧・成形・焼結後に物性評価した。その結果、各試料において室温から650℃の温度範囲においては導電性が得られなかった。一方650℃以上の温度範囲では導電率は、10 -5 S/cmから10 -4 S/cmの範囲で得られた。これはBドープされたSi半導体と同程度の結果であることが明らかになった。またゼーベック係数は正の値を示しており、p型であることが明らかになった。熱拡散率測定結果では溶融塩処理した粘土鉱物では、1.0W/mK以下の低い熱伝導率を示した。得られた値からZTを算出したところ、粘土鉱物と混合塩(CaCl2-KCl(3:1))を700℃で溶融塩処理した試料において、750℃においてZT=0.015の結果が得られた。本研究成果は特願2023-101148「ワダライト及びワダライトの製造方法」として特許出願済みである。
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