Fabrication of Thermoelectric Conversion Materials Using Soil Clay Minerals

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K19001
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: Honda Mitsunori 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)
• 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)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 熱電変換材料 / 土壌粘土鉱物 / 溶融塩 / 高温

Outline of Final Research Achievements

In this study, we investigated the use of weathered biotite (WB) as an abundant, non-toxic, and environmentally sustainable thermoelectric material as an alternative to conventional thermoelectric materials derived from rare and toxic materials. We have succeeded in synthesizing crystalline minerals that present semiconductor-like electrical conductivity properties in the temperature range from 650 to 850 °C by developing a process for crushing, classifying, and heat-treating WB using the molten-salt treatment method.
The thermoelectric properties (electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity) of the crystalline minerals obtained by the molten salt treatment were evaluated, and the dimensionless performance index ZT, which indicates thermoelectric performance, was found to be 0.015 at 700°C, indicating the possibility of application as a high temperature thermoelectric conversion material.

Free Research Field

物性物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

日本はエネルギー自給率が低く１次エネルギーの需要が高い。産業活動における廃熱は推定約１兆kWと膨大である。カーボンゼロ社会実現に向けては、この廃熱を有効利用することがエネルギー効率向上と環境負荷低減の観点から重要である。そのため廃熱を直接電気に変換可能な熱電材料の重要性が高まっている。従来の熱電材料はBiTeなど有毒・希少・高価な元素が利用されているが、本研究において、無毒・豊富・安価な環境調和型の熱電材料創製に成功した。この成果は熱電材料の代替材料となるものであり学術的意義は大きい。また、日本のカーボンゼロ社会実現に向けて、特に産業廃熱の利用を可能にする点において社会的意義が大きい。