低温排熱を有効利用する有機/無機ハイブリッド熱電変換材料の創製とモジュール開発

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05633
• 研究機関: 山陽小野田市立山口東京理科大学
• 研究代表者: 白石 幸英 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (60289303)
• 研究分担者: 浅野 比 山陽小野田市立山口東京理科大学, 共通教育センター, 准教授 (60389153) ; 秦 慎一 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 助教 (20796271)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: カーボンナノチューブ / 銀コロイド / デンドリマー / ハイブリッド / 熱電変換材料

研究実績の概要

モノのインターネットを実現するための課題は、電源の確保であるが、電池交換、充電操作、電源配線などが容易ではない場所も多い。その電源技術のひとつと して注目されている技術が、熱、光、振動などを「ハーベスト」して、電力に変換する技術である。熱から電力を取り出す「熱電変換技術」は、可動部がないた めメンテナンスフリーで長寿命、設置も容易な点で注目されている。本研究は、カーボンナノチューブ(CNT)/ナノ材料の界面を精密制御することで、p型およびn 型熱電特性を示す新規ハイブリッド材料を創製し、高い熱電特性を示すフレキシブルなモジュールを開発するものである。
ポリアミドアミンデンドリマー(PAMAM)で保護したAg、Ptおよび、AuコロイドのTEM観察の結果、平均粒子径は、それぞれ7.9 nm、 487 nm、3.2 nmで、AgおよびAuコロイドは均一であった。熱電特性評価の結果、CNT複合膜のキャリアが電子であることを示した。一方、導電率は、金属種で大きく変化し、Ag > Au > Ptの順となった。すなわち、コロイド粒子の中心金属種の特性が反映される結果となった。Agイオン量を固定し、CNTに対してPAMAMの添加量を変化させた結果、出力因子は未添加(58.1 μWm-1K-2)に対し、PAMAM-Ag コロイドの添加で268 μWm-1K-2を示し、約4倍向上した。このn型半導体CNTシートを340℃で1時間焼成したところ、興味深いことに半導体特性がn型からp型へと変化した。これらの材料より構築したπ型モジュールは良好な発電性能を示し、4.2 μWの最大電力が得られた。

研究成果

• [雑誌論文] Cu-ion-induced n- to p-type switching in organic thermoelectric polyazacycloalkane/carbon nanotubes (2022)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Nakata Riku、Yasuda Soichiro、Ihara Hiroki、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: Materials Advances 巻: 3 ページ: 373～380
  • DOI: 10.1039/D1MA00871D
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Green Route for Fabrication of Water-Treatable Thermoelectric Generators (2022)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Shiraishi Misaki、Yasuda Soichiro、Juhasz Gergely、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: Energy Material Advances 巻: 2022 ページ: 1～12
  • DOI: 10.34133/2022/9854657
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Surfactant-Wrapped n-Type Organic Thermoelectric Carbon Nanotubes for Long-Term Air Stability and Power Characteristics (2022)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Maeshiro Kanto、Shiraishi Misaki、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 4 ページ: 1153～1162
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c01256
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] n-Type carbon nanotube sheets for high in-plane ZT values in double-doped electron-donating graft copolymers containing diphenylhydrazines (2021)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Tomotsu Jin、Gotsubo Mio、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: 53 ページ: 1281～1286
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00519-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Preparation of Poly(Cyclodextrin)-Protected Platinum Colloids and Application as Catalysts for Visible- Light-Induced Hydrogen Generation (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiraishi, Y. Nakanishi, T. Kotani, S. Hata, Y. Du and N. Toshima
  • 雑誌名: Bull. Soc. Photogr. Imag. Japan 巻: 31 ページ: 1-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of p-type thermoelectric power factor by low-temperature calcination in carbon nanotube thermoelectric films containing cyclodextrin polymer and Pd (2021)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Kusada Mokichi、Yasuda Soichiro、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 ページ: 243904～243904
  • DOI: 10.1063/5.0051070
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pd nanoparticles on zeolite imidazolide framework-8: Preparation, characterization, and evaluation of fixed-bed hydrogenation activity toward isomeric nitrophenols (2021)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Iwamoto Keita、Kitano Sho、Habazaki Hiroki、Hirakawa Akari、Tani Nanami、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: Colloid and Interface Science Communications 巻: 43 ページ: 100446～100446
  • DOI: 10.1016/j.colcom.2021.100446
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Durable n-type carbon nanotubes double-doped with 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene and polyamidoamine dendrimers (2021)
  • 著者名/発表者名: Hata Shinichi、Yamaguchi Yuya、Nakata Riku、Kametani Koudai、Du Yukou、Shiraishi Yukihide、Toshima Naoki
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 120 ページ: 108656～108656
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2021.108656
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Preparation of Pd-Rh Alloy Nanocatalyst Loading Porous Polymer and Decomposition Characteristics for Organic Dye Molecules (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, Y. Sakai, N. Tani, S. Kitano, H. Habazaki, Y. Shiraishi, and N. Toshima
  • 学会等名: The 95th ACS Colloid and Surface Science Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Preparation of Cu-based Metal-Organic Structures Doped with Ag ion and Their Hydrogen Adsorption Behavior at Low temperature and Ambient Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, K. Miyaji, I. Takenaga, Y. Shiraishi, and N. Toshima
  • 学会等名: The 95th ACS Colloid and Surface Science Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 脂溶性抗酸化物質の抗酸化能測定方法の確立 (2021)
  • 著者名/発表者名: 谷 七海, 高田 誠，武藤純平，和田光弘，秦 慎一，白石幸英
  • 学会等名: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] ポリシクロデキストリン保護銀ナノ粒子/カーボンナノチューブによる複合熱電変換材料の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩本龍之介, 草田茂吉，秦 慎一，白石幸英
  • 学会等名: 2021年度 日本写真学会年次大会
• [学会発表] Electron Transport in Carbon Nanotubes Induced by Polyazacycloalkanes: Expression of p-type Characteristics by Cu ions, Organic Thermoelectric Behavior, and Module Output (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, R. Nakata, S. Yasuda, H. Ihara, Y. Shiraishi, and N. Toshima
  • 学会等名: 31st International Conference on Diamond and Carbon Materials 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Preparation of Organic and Inorganic Hybrid Thermoelectric Materials Using PEDOT: PSS-Protected Ag Nanoplates (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiraishi, S. Hoshino, Y. Du, S. Hata, and N. Toshima
  • 学会等名: 34 nd Conference of European Colloid and Interface Society (ECIS 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Electro-optic Properties of Liquid Crystal Devices by Doping with Supramolecule-Stabilized Nanocolloids (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiraishi, H. Sawai, S. Hata, S. Kobayashi, and N. Toshima
  • 学会等名: International Conference on Advanced Imaging 2021 (ICAI2021)
• [備考] 白石幸英研究室
  • URL: http://shiraishi.rs.socu.ac.jp/
• [備考] Yukihide Shiraishi
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=olz8a2IAAAAJ&hl=ja
• [産業財産権] カーボンナノチューブ複合膜及びその製造方法、並びに熱電変換素子 (2021)
  • 発明者名: 内田秀樹，白石幸英, 秦慎一, 戸嶋直樹
  • 権利者名: 日本ゼオン(株), 公立大学法人山陽小野田市立山口東京理科大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-213177