無毒で豊富な元素で構成される新規硫化物熱電素子の電極形成

由无毒且含量丰富的元素组成的新型硫化物热电元件电极的形成

• 批准号: 22K04081
• 负责人: 中村 重之
• 金额: $ 2.25万
• 依托单位: Tsuyama National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04081/
• 关键词: 三硫化二銅スズ; 熱発電素子; 電極; アルミニウム; 熱電; 熱電モジュール; Cu2SnS3

本研究では，資源存在量が多く毒性の低い元素で構成されている三硫化二銅スズ（以下CTS）を用いた熱発電素子の開発を目指している．CTS熱発電素子の研究は国内外共に材料開発に偏っており，電極開発などの研究は行われていない．そこで電極と素子を同時に作製する方法を採用し，素子に硫黄を含むので電極材料（金属）が硫黄と反応しないような原料や条件を見出すことでCTS熱発電素子の実用化へ向けて第一歩となる電極を形成することを目指した．モル比で1:1に計量したCu2SとSnS2にCuSとIn2S3を0.4及び0.1追加した原料を450℃と750℃で2時間ずつ加熱しCTSを合成した．得られたCTS粉体を，放電プラズマ焼結法（SPS）にて400℃，40MPaで焼結し熱電素子を作製した．焼結の際，CTS粉体の上下に電極材料となる金属粉末を追加した．電極用金属としてモリブデン(Mo)，タングステン(W)，銅(Cu)，スズ(Sn)，アルミニウム(Al)，銀(Ag)，亜鉛(Zn)の同時焼結を試みた．MoとWは焼結できなかった．Cu, SnおよびZnはCTSに拡散していき電極として残らなかった．AgはCTSとの界面で剥離が生じることがあった．これらの中ではAlが同時焼結法にて電極を作製するのに最適であることが分かった．電子顕微鏡の観察では，Al電極とＣＴＳ熱発電素子の間に中間層のようなものは見られなかった．そのため，顕微ラマン測定は行っていない．さらに300℃まで熱して素子及び電極の観察を行ったが変化はなく，剥離したり界面にクラックが入ったりすることもなく安定していた．接触抵抗は2.76Ωcm2が得られた．熱電特性では，ゼーベック係数が200-300μV/K，電気伝導率が2000 S/m程度で会った．電極を形成することには成功したが，接触抵抗が非常に高いため，その低減が課題であることが分かった．

这项研究旨在使用三硫化物二硫化物（以下称为CTS）开发热电发电设备，该设备由具有大量资源丰度和低毒性的元素组成。 CTS热电发电设备的研究偏向于国内和国际上的材料发展，并且没有对电极发育或其他电极发展进行研究。因此，我们采用了一种同时制造电极和元件的方法，并旨在形成电极，这是通过找到电极和电极材料（金属）不与元素中硫反应的原材料和条件来实践应用CTS热电发电设备的第一步。在450°C和750°C加热2小时以合成CTS，将其添加到CU 2和CU2S和SNS2中的0.4和0.1在CU2S和SNS2中，以摩尔比为1：1，在摩尔比为1：1。通过排放血浆烧结方法（SPS）将获得的CTS粉末在400°C和40MPA烧结以制造热电元件。在烧结过程中，用作电极材料的金属粉末在CTS粉末上方和下方添加。我们试图同时烧结钼（MO），钨（W），铜（Cu），锡（SN），铝（Al），银（Ag）和锌（Zn）作为电极金属。 Mo和W没有烧结。 Cu，Sn和Zn扩散到CTS中，并保持为电极。 AG有时可能会在与CTS的接口上脱落。其中，发现AL是使用同时烧结方法制造电极的最佳方法。通过电子显微镜观察显示AL电极和CTS热电发电元件之间没有中间层。因此，未进行微观拉曼测量。此外，通过将其加热到300°C，可以观察到设备和电极，但是没有变化，并且在界面上脱皮或开裂的情况下它是稳定的。接触电阻为2.76ΩCM2。关于热电特性，Seebeck系数为200-300μV/K，电导率约为2000 s/m。尽管我们成功地形成了电极，但发现减少电极是一个问题，因为接触电阻很高。

项目成果

簡易な方法で合成したCu2SnS3の熱発電素子への応用

简单方法合成的Cu2SnS3在热电发电机中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Tatsuki Tamaoki;Shouta Kanno;Takeshi Imaike;中村重之，荒木秀明，赤木洋二
• 通讯作者: 中村重之，荒木秀明，赤木洋二