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熱・電気伝導率の独立制御に向けた金属酸化物ナノ多孔体の細孔壁の精密制御

精确控制金属氧化物纳米多孔材料的孔壁，独立控制导热性和导电性

基本信息

批准号：
22K14481
负责人：
松野敬成
金额：
$ 3万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

熱電変換材料は熱から電気を直接回収でき、未利用エネルギーの活用手段として期待されているが、大気中で安定な酸化物系材料の実用に向けては特性の向上が必須である。材料へのナノ細孔の導入による熱伝導率の低減は熱電性能向上に向けた方法の一つとして知られているが、同時に生じる電気伝導率の低下が問題となる。これは結晶粒界でのキャリア散乱および高い空隙率による導電パスの減少が主な要因である。そこで本研究では、金属酸化物の熱伝導率を低減しつつ副次的な電気伝導率低下を抑制することを目的として細孔構造の精密制御を行う。金属酸化物ナノ多孔体を結晶成長させる、という新規なコンセプトに基づくアプローチにより結晶粒界の低減と細孔壁の厚さ、空隙率の制御を同時に実現することが期待でき、熱・電気伝導率測定によりナノ構造設計の有効性の実証を目指す。本年度は、酸化インジウムスズ(ITO)についてナノ構造制御と熱伝導特性の評価を行った。ITOは金属酸化物の中でも比較的導電性が高く物性測定・比較検討が容易と考えられるため、本研究のコンセプトを実証するための組成として選定した。球状シリカナノ粒子が規則的に集積したナノ多孔体中でITOを形成させ、塩基処理によってシリカを選択的に除去することでITOナノ多孔体を得た。シリカナノ粒子径を変化させることでITOナノ多孔体の細孔径・細孔壁の厚さを制御した。得られた試料を放電プラズマ焼結(SPS)することで焼結体を得て、その熱伝導率を測定した。その結果、細孔壁の厚さが一定以下になると熱伝導率の低減が頭打ちになる傾向が観測された。

Thermoelectric conversion materials are required for direct heat recovery, utilization of unutilized materials, and application of stable materials in high temperature. The introduction of fine pores in the material leads to the problem of low thermal conductivity and high thermoelectric performance. The main reason for the decrease of conductivity is that the crystal grain boundary is scattered and high in porosity. In this study, we aim to reduce the thermal conductivity of metal oxides and suppress the electrical conductivity of metal oxides. The metal acidizing agent can be used for the crystal growth of porous body, the decrease of crystal grain boundary, the thickness of pore wall and the control of porosity, and the simultaneous realization of the expectation, the measurement of thermal conductivity and electrical conductivity. This year, the evaluation of thermal conductivity characteristics of the structure was carried out. ITO metal oxides have high conductivity and easy to measure and compare. The composition of ITO metal oxides has been proved in this study. Spherical particles are regularly aggregated to form ITO in porous bodies and are selectively removed from porous bodies by matrix treatment. The particle diameter of ITO can be controlled by changing the pore size and pore wall thickness of ITO. The sample was sintered and the thermal conductivity was measured. As a result, the thickness of the pore wall is less than a certain value, and the thermal conductivity is reduced.