Development of new processes for manufacturing high-performance thermoelectric materials using ultra-high pressure technology

利用超高压技术开发制造高性能热电材料的新工艺

基本信息

批准号：
22K19076
负责人：
関根ちひろ
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Muroran Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

これまで、熱電変換材料の様々な設計指針が提案され、多くの研究が行われてきたが、熱電発電を普及させるのに必要な性能には至っていない。このような状況の中、熱電変換材料の性能を向上させる全く新しい手法を開発することは重要である。熱電変換材料の性能は、ゼーベック係数の二乗および、電気伝導率に比例し、電子熱伝導率、格子熱伝導率に反比例する。格子熱伝導率以外のパラメータは、全てキャリア濃度の関数であり、トレードオフの関係にある。そこで、キャリア濃度の最適化に加えて格子熱伝導率の低減が高性能材料開発の鍵となる。我々は、カゴ状物質であるスクッテルダイト化合物において、20 GPa 以上の超高圧力の印加により、カゴを形成する原子がカゴ内部に充填される新しい現象「圧力誘起自己充填反応」を発見し、この反応により生成される自己充填相において格子熱伝導率が著しく低下することを見出した。この自己充填相は、超高圧を利用した特殊な製造プロセスを経なければ得ることができない。本研究では、このような超高圧下における特異な反応に着目し、超高圧技術を駆使した熱電変換材料の性能を向上させる新たな開発手法を確立することを目的とした。このような研究目的の下、本年度は、最も低い圧力で自己充填反応が起きるRhSb3の自己充填相をマルチアンビルプレスを用いて作製し、格子熱伝導率の低減機構の解明を目指し、核磁気共鳴実験を行なった。その結果、局所的な構造変化が生じている可能性が示唆される結果を得た。今後、構造モデルを仮定して電場勾配の計算を行い、実験結果との比較を行う予定である。また、ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧実験の準備を進め、新たな加熱機構を設計・製作し、問題なく加熱できるとを確認した。今後、放射光X線を用いた実験を行い、温度ー圧力相図の決定と、自己充填反応による構造変化を詳細に調べる予定である。

已经提出了有关热电转换材料的各种设计指南，并且已经进行了许多研究，但是尚未达到热电发电所需的性能。在这种情况下，重要的是开发全新的方法来改善热电转换材料的性能。热电转换材料的性能与Seebeck系数和电导率的平方成正比，并且与电子导热率和晶格导热率成反比。除晶格导热率以外的所有参数都是载体浓度的函数，并且是权衡的。因此，除了优化载体浓度外，还原晶格导热率是开发高性能材料的关键。我们在Skutterudite化合物（一种类似篮子的材料）中发现了一种称为“压力诱导的自我填充反应”的新现象，当篮子形成的原子在篮子内部填充在篮子内部，当施加了20 GPA或更多的超高压力，并发现该反应产生的自填充相中的晶格导热性会显着降低。如果没有超高压力进行特殊的制造过程，就无法获得这个自我填补的阶段。这项研究着重于超高压力下的独特反应，旨在建立一种新的开发方法，以使用超高压力技术来改善热电转换材料的性能。在这些研究目的下，今年，我们使用多动力压力机制造了RHSB3的自包装阶段，该阶段是在最低压力下发生的，并进行了核磁共振实验，目的是阐明降低晶状体导热性的机制。结果表明可能发生局部结构变化。将来，我们计划在结构模型的假设下计算电场梯度，并将其与实验结果进行比较。此外，还为使用钻石砧细胞进行了高温和高压实验的准备，并设计和制造了新的加热机制，以确认可以加热它们而不会出现任何问题。将来，我们将使用同步辐射X射线进行实验，以确定温度压力相图并详细研究由自填充反应引起的结构变化。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

ジェノバ大学(イタリア)

热那亚大学（意大利）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

非充填スクッテルダイト化合物MSb3 (M = Co, Rh) の圧力誘起自己充填反応による格子熱伝導率低減効果

未填充方钴矿化合物 MSb3 (M = Co, Rh) 的压力诱导自填充反应降低晶格热导率的效果

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
木幡壮真;木村勇太;雨澤浩史;大石昌嗣;藤代史;高橋伊久磨;八木俊介;中村崇司;淡路功太，西村和也，諏訪雄哉，林純一，川村幸裕，武田圭生，後藤弘匡，関根ちひろ
通讯作者：
淡路功太，西村和也，諏訪雄哉，林純一，川村幸裕，武田圭生，後藤弘匡，関根ちひろ

非充填スクッテルダイト化合物RhSb3の圧力誘起自己充填反応と高圧下電気伝導

未填充方钴矿化合物RhSb3的压力诱导自填充反应及高压下导电