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産総研など、レアメタル不使用・低毒性元素の熱電変換材料を開発

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産総研など、レアメタル不使用・低毒性元素の熱電変換材料を開発

広島大学と産業技術総合研究所は、天然の硫化銅鉱物コルーサイトに倣った、レアメタルレスで低毒性元素が主成分の熱電変換材料を開発したと発表した。本成果は熱電発電の大規模化に資すると期待される。

本研究チームは、天然硫化銅鉱物の一種コルーサイトと同じ結晶構造の人工鉱物Cu26V2M6S32(M=Ge,Sn)を合成し、400度付近で高い熱電変換性能を示すことを発見した。この物質は、低毒性で地殻中の埋蔵量が豊富なCu(銅)、Sn(スズ)、S(硫黄)を主成分としているため、レアメタルレスの熱電変換材料といえる。この新しい熱電人工鉱物の発見は、環境負荷の低い高効率熱電発電の実現に大きく寄与するものと期待される。

熱電変換材料とは、熱エネルギー(温度差エネルギー)と電気エネルギーを相互に効率よく直接変換できる材料のことをいう。この材料を用いた熱電発電は、化石燃料を必要としないため地球温暖化ガスを排出せず、さらに、機械的な可動部がないため、長寿命・静音・無振動という長所も備える。熱電発電技術を用いることで、従来捨てられていた未利用熱エネルギーや自然熱エネルギーから有用性の高い電気エネルギーを生み出すことができる。

近年では、自動車から放出される膨大な量の中温廃熱(約400度)を回収・利用した発電の実用化に向けた取り組みが進められている。しかし、この温度領域で使用されてきたテルル化鉛(PbTe)は、有毒元素であるPb(鉛)とレアメタルであるTe(テルル)を含んでいる。そのため、地殻埋蔵量が多く毒性の低い、すなわち低環境負荷な元素を用いた熱電変換材料の開発が急務となっていた。

昨年、本研究グループは、天然に存在する硫化銅鉱物のテトラへドライトをベースにした人工鉱物のCu12-xNixSb4S13が高い熱電変換性能を示すことを発見した。この材料の主成分が、低環境負荷なCu(銅)とS(硫黄)である点が注目され、現在、実用化への取り組みが行われている。

しかし、このテトラへドライトにもレアメタルのNi(ニッケル)とSb(アンチモン)がわずかに含まれている。そのため、広島大学と産総研の研究グループは、レアメタル含有量のさらに少ない(レアメタルレスな)新規材料の探索を進めてきた。

図2 コールサイトCu26V2M6S32(M=Ge,Sn)の結晶構造立方格子中に66個もの原子が含まれるため複雑である

本研究で注目したコルーサイトCu26V2M6S32は、CuとSを主成分とし立方晶(等軸晶)系の結晶構造を持つ。天然のCu26V2M6S32はMとして毒性元素のAs(ヒ素)を含んでいる。また、Mの中に含まれるAs、Sb、Ge(ゲルマニウム)、Snの割合がさまざまであるために、熱電特性が一定ではないと考えられる。そこで本研究では、AsとSbを含まないM=GeとM=Snを人工的に合成して熱電特性の評価を行った。

その結果、人工鉱物コルーサイトが、400度付近で高い熱電変換性能を示すことを見出した。その値(無次元熱電変換性能指数ZT)は熱電変換効率に換算すると6~7%程度に相当し、既報のPbTeやNiを置換したテトラへドライトに匹敵する。

コルーサイトでは、構成元素の一部を価電子数の異なる元素で置換すればホールキャリア密度を容易に調節できるので、既存材料を上回る高いZTが得られると期待される。また、コルーサイトが高い熱電変換性能をもたらす結晶構造と電子構造の特徴が明らかになったので、今後、さらに高い性能を示す人工鉱物の開発が進むものと予想される。

今後の展開では、元素置換や組成制御を行ってコルーサイトの熱電変換性能を向上させ、さらに、実用化へ向けて、環境にやさしい鉱物熱電変換システムを世界に先駆けて試作する。これらの取り組みにより高効率で低環境負荷な熱電発電をいち早い実現を目指す。

本成果は、学・官・産の設備を有効に使用して、広島大学と産総研の密接な連携により得られた。また、本研究は、科学研究費助成事業等の研究助成の支援を受けて行った。

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