2022 Fiscal Year Annual Research Report
Inherent thermoelectric aerogel comprising conducting polymer
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22H02136
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
下村 武史 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40292768)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / 導電性高分子 / PEDOT:PSS / エアロゲル / 環境発電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電効果では高温側で励起され、エネルギーを得たキャリアを低温側に輸送する電流をよく流す半導体である一方で、高温側から低温側への流れる熱流を遮断する断熱体であることが理想的である。そこで、高い熱電性能が報告されている導電性高分子からなり、10 nmサイズのメソ孔をもち、体積比率で95%以上の気泡を含み、一般的なシリカエアロゲルにも劣らない300 m2 g-1以上の大きな比表面積をもつことで、熱伝導率は0.03 W m-1 K-1程度と発泡スチロールにも匹敵する低い熱伝導率を有する真の熱電エアロゲルを作製し、その熱電特性、力学特性を評価し、熱電材料としての適性を実証することを目的とした。また、この熱電エアロゲルの応用として、環境発電モジュール、超軽量クーラーボックス、熱電イオンフィルターとしての性能評価・実証を行うことも目指す。
初年度は目的とするエアロゲルの作製を行った。ジビニルスルホンの架橋を導入し、ハイドロゲル、アルコゲルを経由して、超臨界二酸化炭素化での乾燥を行うことで、導電性高分子PEDOT:PSSエアロゲルの安定的な作製条件を見出した。また、その構造は一般的なシリカエアロゲルにも劣らない300 m2 g-1以上の大きな比表面積をもち、、熱拡散率はレーザーフラッシュ法にて5x10^-7 m2 s-1程度と低い熱伝導率を有する真のエアロゲルであることを確認した。熱電効果を示すことも確認し、現在は導電率を向上するためのドーピングについて調査している。
加えて、気体導入が可能な熱電測定装置の導入を行った。納品が遅れ年度末にようやく導入されたところであるが、急いで所望の二酸化炭素等ガス導入下での熱電特性測定の準備を進めており、導入ガスの比率と熱電特性の相関を明らかとし、熱電フィルターとしての性能評価・実証を進めている。
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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
初年度計画したエアロゲルの作製に関しては、順調に進展し、エアロゲルの作製を達成した他、エアロゲルの構造も予定通りの目標値を達成した。ジビニルスルホンの架橋を導入し、ハイドロゲル、アルコゲルを経由して、超臨界二酸化炭素化での乾燥を行うことで、導電性高分子PEDOT:PSSエアロゲルの安定的な作製条件を見出した。また、その構造は一般的なシリカエアロゲルにも劣らない300 m2 g-1以上の大きな比表面積をもち、熱拡散率はレーザーフラッシュ法にて5x10^-7 m2 s-1程度と低い熱伝導率を有する真のエアロゲルであることを確認した。これはエアロゲル特有のメソ孔が気体の対流を妨げ、熱伝導を低く保つことに寄与するためである。また、熱電効果を示すことも確認できた。このため、おおむね順調に進展していると判断される。現在、導電率は10 S cm-1程度、ゼーベック係数は20 uV K-1程度を得た。環境発電モジュールを得るために、まず導電率をもう1桁向上させる必要があると考えている。
一方で、熱電フィルタの実証に向けた測定系の構築も初年度から実施する予定であったが、半導体不足等による装置納入の著しい遅れにより、着手が大きく遅れた。現在、急ピッチで測定系の完成を目指しており、測定を問題なく行えること、所望のガス導入ができることが確認されたため、計画に対する遅れは軽微と考えられるところまで、挽回したと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究ではエアロゲルの作製と特性評価に加えて環境発電モジュール、超軽量クーラーボックス、吸脱着が可逆な熱電イオンフィルターの３つの用途探索を実施することを予定している。特に初年度、二年度においては環境発電モジュール、熱電フィルターに取り組むこととしている。
環境発電モジュールに関しては、まずPEDOT:PSSと特徴である高導電率を達成するため、ドーピング方法の改善を実施することを予定している。導電率を100 S cm-1程度まで向上することが可能である。加えて、これまでにクライオゲルにおいてゼーベック係数10~30 mV K-1という巨大ゼーベック効果の発現に成功している。この知見に基づいて、導電性高分子を高ゼーベック係数のP3HTなどに変更することにより巨大ゼーベック効果の発現を目指す。エアロゲルは単位体積当たりの材料が少ないため、低価格で大面積化が容易であり、電流が不足する場合には、面積を増やしていくことで、所望の電力を得ることができる。この特徴を活かして、LED点灯の達成を目標とする。
熱電フィルターに関しては、まずは気体の吸着フィルターを検討する。初年度に導入した気体の導入可能な熱電評価装置を稼働して、特に二酸化炭素などの気体の吸着特性と熱電特性の相関を評価し、その実現性を探索する。気体分子の双極子は大きくないため、十分な性能を発揮できないこともある。そのときは溶液中のイオンの吸着特性の解明に切り替えることを予定している。ローダミンBなどのカチオン性色素を熱水に溶かし、エアロゲルの片面を浸した際の温度と吸着量との関係、およびその全体を水につけるなどして温度差が消失した際の脱着性能を評価し、可逆性をもった熱電イオンフィルターの実現を示す。色素を用いるので、試料表面は顕微UV-Vis、溶液は通常のUV-Visスペクトル分光計を用いれば容易に評価する。
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