2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26248060
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
黒田 一幸 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90130872)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 孝雄 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (90354430)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | メソポーラス物質 / 熱電変換材料 / ナノ構造体 / 鋳型合成法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、熱電変換材料創製に資するナノ構造体の精密合成および特性評価によって、熱電変換材料におけるナノ構造化の性能向上効果を実証することである。本年度は、主にナノ構造体の合成に焦点を絞り、研究を推進した。
1. 筒状細孔を有するメソポーラスシリカを鋳型に用いたBiナノワイヤの合成
Biナノワイヤは、その直径を10 nm以下まで微細化することで、熱電変換性能が劇的に向上することが理論的に予測されている。そのため、ナノ構造体の性能向上効果を実証するために適した物質だと考え、合成を試みた。従来、直径10 nm以下のBiナノワイヤの合成は達成されていなかったが、メソポーラスシリカを鋳型に、さらに我々が開発した疎水性溶媒および還元剤を用いた還元析出法を利用することで、直径10 nm以下のBiナノワイヤの合成を達成した。
2. シリカコロイド結晶を鋳型に用いた規則性細孔を有する単結晶性メソポーラスNbドープTiO2の合成
フォノンの選択的散乱を実現すべく、フォノンやキャリアを散乱する細孔/細孔壁界面が非常に規則的に配列した構造を有する、単結晶性メソポーラスNbドープTiO2の合成した。粒径約35 nmのシリカナノ粒子から成るシリカコロイド結晶を作製し、鋳型として用いることで、目的物質の合成を達成した。従来の規則性細孔を有するメソポーラスNbドープTiO2は、その骨格が多結晶性であったため、不規則に配列した結晶粒界がキャリアやフォノンを散乱し、フォノンの選択的散乱に向けたサイズ制御が困難であった。一方、今回合成に成功した単結晶性骨格と規則性細孔を併せ持つメソポーラスNbドープTiO2は、結晶粒界由来の散乱を排除できるため、細孔や細孔壁のサイズ制御により、フォノンの選択的散乱を実現可能だと考えている。
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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
1. 筒状細孔を有するメソポーラスシリカを鋳型に用いたBiナノワイヤの合成
熱電変換物質における、ナノ構造化による性能向上効果を実証するために極めて有望な、直径10 nm以下のBiナノワイヤの合成に成功した。さらに、ナノ構造体を熱電変換へ応用する際に問題となる試料量についても、容易にスケールアップが可能な液相でのプロセスを新たに開発することで克服している。また、既に放電プラズマ焼結による、試料の成型にも成功している。これらのことから、熱電物性の測定およびナノ構造化による性能向上効果の実証に向け、順調に進行している。
2. シリカコロイド結晶を鋳型に用いた規則性細孔を有する単結晶性メソポーラスNbドープTiO2の合成
フォノンの選択的散乱に有効なサイズを調査するために適した、規則性細孔を有する単結晶性メソポーラスNbドープTiO2の合成に成功した。当物質については、熱電物性を測定可能なほどの試料量を得る手法が確立できていないものの、最も困難であると予想していた試料の単結晶化に成功したことは、本研究課題を推進する上で、非常に価値のある成果である。さらに、思いもかけない発見であったが、メソポーラス物質合成の際に、Nb源を添加すると、鋳型表面の構造のみを反映した、くぼみ構造を有するメソ構造体が形成することも見出した。本研究課題とは、関連性は薄いものの、1つの鋳型から、多様な構造体を作り出せたことは、合成化学・材料化学の両観点から、極めて興味深い成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. シリカフリーのビスマスナノワイヤの合成と熱電物性の評価
平成26年度の研究において、直径10 nm以下のビスマスナノワイヤの合成に成功した。このような、ごく数nmのBiナノワイヤが熱電変換性能の向上に有望な材料であることが理論的に予測されている、しかし、鋳型に用いたメソポーラスシリカが少量残存しており、それが絶縁層として作用しているために、電気伝導度およびゼーベック係数の測定が未達成である課題がある。これは、シリカとビスマスが、その界面で反応していることが考えられる。そこで平成27年度は、鋳型の骨格組成や表面組成をシリカ以外に転換することで、シリカとビスマス界面での反応を防ぎ、シリカフリーのビスマスナノワイヤの合成を行う。さらに、合成したナノワイヤの放電焼結プラズマ法による焼結条件の探索および熱電物性の測定を進める。熱電物性の測定結果を基に、ビスマスナノワイヤの更なる微細化等の検討を進める。
2. 規則性細孔を有する単結晶性メソポーラスNbドープTiO2の大量合成と熱電物性の評価
平成26年度の研究にて、フォノンの選択的散乱に資する、規則性細孔を有する単結晶性メソポーラスNbドープTiO2の合成に成功した。しかし、熱電物性の測定に必要な、グラムスケールでの合成には至っていない。そこで平成27年度は、まず単結晶性メソポーラスチタニア合成のスケールアッププロセスを確立する。熱電物性の測定に十分な量が得られ次第、焼結条件の探索および熱電物性の測定を進める。また、熱伝導度の選択的低減には、周期構造の制御が重要となる。そこで、異なる周期構造を有する単結晶性メソポーラスチタニアの合成も同時に進める。
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Research Products
(48 results)
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[Presentation] ナノ空間物質の化学2014
Author(s)
黒田一幸
Organizer
第122回技術士CPD中央講座
Place of Presentation
機械振興会館
Year and Date
2014-05-17 – 2014-05-17
Invited
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