| 研究課題/領域番号 |
18K14017
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| 研究機関 | 山陽小野田市立山口東京理科大学 |
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研究代表者 |
秦 慎一 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 助教 (20796271)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 導電性高分子 / PEDOT-PSS / ナノ粒子 / カーボンナノチューブ / 有機熱電材料 |
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| 研究実績の概要 |
平成３０年度は、高出力なp型半導体有機材料の開発を目指した。導電性ポリマーPEDOT-PSSの有機熱電特性を改善するため、これに構成元素が異なる金属ナノ粒子または半導体ナノ粒子を添加したハイブリッド材料について研究を行った。その結果、ZnOナノ粒子が少量添加されたPEDOT-PSSでは、添加されていないPEDOT-PSSよりも高いパワーファクターを示すことを明らかにした。さらに興味深いことに、Gaが固溶したGa-ZnOナノ粒子を添加した際には、ZnOを添加したときよりもPEDOT-PSSの有機熱電特性の改善は顕著であり、そのパワーファクターは38 μW m-1 K-2であった。種々の測定結果により、これは、ハイブリッド材料内にPEDOT鎖のコンフォメーション変化によってもたらされているものと考察した。本研究の成果を近々学術雑誌に投稿する。一方、これまで母体材料をPEDOT-PSSに焦点を当てていたが限界出力の懸念があり、更なる高性能材料の作製を目指して、今回新たにカーボンナノチューブ（CNT）を検討した。具体的には、キャリア移動を阻害していると考えられるカーボンナノチューブ表面のオングストロームまたはナノオーダの細孔に、ナノ粒子化された高電導性元素Agを担持させることで、キャリア移動を円滑にすることを行った。興味深いことに、AgをCNTに担持させることで、CNTの電気導電度は 281 Scm-1まで向上し、そのパワーファクターは54 μWm-1K-2となった。つまり、CNTの有機熱電特性が3.2倍改善された。これらの結果は、CNT表面の欠陥構造を活かした適切な界面設計が、高出力な有機熱電特性につながることを示唆している。本研究成果は特許として既に出願した。今後、これに関する学術論文も投稿し、さらにはn型有機熱電材料の開発を行う。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
産業界の要望により、化石燃料由来の未利用排熱を電気へと変換できる熱電モジュールの開発が強く求められている。有望な無機熱電発電モジュールBi-Te系では、資源の入手性や材料の製造コスト、猛毒が強いことが実用化に向けて現在大きな障害になっており、その民生応用は非常に難しいとされている。一方、毒性のほとんどない有機熱電材料は柔軟性や軽量性に優れているが、熱電変換効率が非常に低い。従来、特性を改善するには主要な有機熱電材料（PEDOT-PSSやCNT）に対して、毒性元素（BiやTe）を添加する手法が一般的であった。しかしながら、本研究は毒性元素の材料を用いることなく、有機熱電材料の性能を着実に改善させ、導電性高分子系および炭素材料系の２つのハイブリッド型有機熱電材料の構築に成功した。それぞれが全く異なる手法であり、新たな材料設計の指針になる点で意義が大きいと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
順調に計画が進んでいるので、予定通り次年度は、次の段階でもある「フレキシブルなn型有機熱電材料の開発」に焦点を当て研究を進める。n型の有機熱電変換材料の開発は、国内グループにより系統的な知見が得られているものの、p型の材料と比べて特に遅れており、化学的安定性に優れたn型材料がほとんどない。本研究では、比較的安価・簡便的手法で化学的安定性に優れたn型の有機熱電材料を開発する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
異動に伴う研究環境の変化により、使用計画・支出用途を再検討したため。
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