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

基本信息

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

项目摘要

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．

在本研究中，我们的目标是利用二铜三硫化锡（以下简称CTS）开发一种热电发电元件，该元件由资源丰富且低毒性的元素组成。国内外对CTS温差发电装置的研究主要集中在材料的开发上，尚未开展电极开发的研究。因此，我们采用了同时制作电极和元件的方法，并找到了由于元件中含有硫而能够防止电极材料（金属）与硫发生反应的原材料和条件，从而迈出了走向实用化的第一步。 CTS热电发电元件的应用的目的是形成一种向前迈进的电极。 CTS是通过将按摩尔比1:1称量的Cu2S和SnS2添加0.4和0.1的CuS和In2S3制备的原料在450℃和750℃下分别加热2小时来合成的。使用放电等离子烧结（SPS）在400℃和40MPa下对所得CTS粉末进行烧结以制造热电元件。在烧结过程中，在CTS粉末的上方和下方添加金属粉末作为电极材料。我们尝试同时烧结钼（Mo）、钨（W）、铜（Cu）、锡（Sn）、铝（Al）、银（Ag）和锌（Zn）作为电极金属。 Mo和W不能烧结。 Cu、Sn和Zn扩散到CTS中并且没有作为电极保留。 Ag有时会在与CTS的界面处剥落。其中，Al被发现最适合使用共烧结法制造电极。当使用电子显微镜观察时，在Al电极和CTS热电发生器之间没有观察到中间层。因此，没有进行显微拉曼测量。将器件和电极进一步加热到300℃观察，没有任何变化，界面稳定，没有剥离、裂纹。得到的接触电阻为2.76Ωcm2。热电性能方面，塞贝克系数为200-300μV/K，电导率约为2000S/m。虽然我们成功地形成了电极，但我们发现接触电阻非常高，因此降低它是一个问题。