JP5599095B2 - 有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法 - Google Patents
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Description
材料を得るようにしてもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
テルル化ビスマス(Bi2Te3)ナノ粒子の合成:
500mLの4つ口フラスコに、脱水、脱気済みのTEG(テトラエチレングリコール)250mL、塩化ビスマス(BiCl3)を1.8mmol、塩化テルル(TeCl4)を2.7mmol、PVP(ポリビニルピロリドン)を18mmol(r=4)加えて、324rpmで30分間攪拌して混合体とした。
経過時間 温度
10分 : 106℃
20分 : 167℃
30分 : 226℃
40分 : 269℃
50分 : 298℃
60分 : 307℃
得られたテルル化ビスマス(Bi2Te3)についてXRD分析を行った結果、酸化物のピークは確認されず、テルル化ビスマスのピークのみが確認できた。
TEMにより観察した結果、多分散かつ粒径の小さいナノ粒子が多く得られたことが確認できた。平均粒子径は約10nm(大多数が5〜15nmの範囲内)であった。
FT−IR分析により、得られたテルル化ビスマスに有機物(保護剤:PVP)が存在するか否かを確認した結果、有機物(保護剤)が全く存在しないことが確認できた。
ポリアニリンの合成:
1Lのナス型フラスコに塩化リチウム(LiCl)0.778molを入れた後、1moL/Lの塩酸水溶液117mmolをゆっくり加えた。さらにアニリン0.054molを加えて混合溶液とし、冷蔵庫であら熱を取った後、−30℃のアセトン冷媒で1時間冷却した。冷却後の混合溶液に、ペルオキソ二硫酸アンモニウム0.11molと、イオン交換水100mLと、塩化リチウム0.67molの混合溶液を50時間かけて滴下した。滴下終了後、後反応として1時間撹拌し、ゆっくり常温に戻して、中間生成物を得た。
合成例2で得られたポリアニリンをサンプル管にとり、NMP(1−メチルピロリドン)に溶解させ石英セルに移し測定した。一般に、ポリアニリンは、文献値では329nmにベンゼノイド構造、639nmにキノイド構造のピークが観測され、吸光度比が1.1−1.7とされている。合成例2で得られたポリアニリンも同様なピークが観測され、得られた生成物はエメラルジン構造のポリアニリンであると同定できた。
合成例2で得られたポリアニリンについて、KBr法にてFT−IR測定を行った。一般に、ポリアニリンは、文献値では1589cm−1にキノイド構造、1492cm−1にベンゼノイド構造、827cm−1に1−4変角振動とされており、合成例2で得られたポリアニリン同様のピークが観測されており、エメラルジン構造のポリアニリンであることが確認できた。
合成例2で得られたポリアニリンについて、分子量をゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GPC)を用いて求めた。GPC測定はポリビニルピリジンを標準サンプルとし、検量線を作成し重量平均分子量等を求めた。また移動相はN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を使用した。重量平均分子量(Mw)=92000、数平均分子量(Mn)=81000、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)=1.1であった。
有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造:
合成例1で得られた無機粒子であるテルル化ビスマス(Bi2Te3)ナノ粒子及び合成例2で得られた有機熱電材料であるポリアニリンを用いて、下記の「直接配位法」、「溶液配位法」及び「水溶性ポリアニリン法で被覆したテルル化ビスマスを用いた方法(以下、「水溶性ポリアニリン法」と呼ぶ。)の3種類の製造方法により、有機−無機ハイブリッド熱電材料であるポリアニリン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料を製造した。
ハイブリッド熱電材料の製造(1)(直接配位法による製造):
グローブボックス中で、4mLサンプル管に、合成例1で得られたテルル化ビスマス(印加電圧:70V)、合成例2で得られたポリアニリン、カンファスルホン酸及びm−クレゾールを、下記表1に示した構成として、攪拌子を入れ密封した。超音波を1時間照射した後、スターラー攪拌を24時間行って混合した。これをガラス板にキャストし乾燥させることによって、膜状のハイブリッド熱電材料を得た。
ハイブリッド熱電材料の製造(2)(溶液配位法による製造):
1Lのナス型フラスコにポリアニリンを300mg、脱水・脱気済みの1,4−ジオキサンを600mL入れ、スターラー攪拌を48時間行い、1,4−ジオキサンにポリアニリンを完全に溶解させた(ポリアニリン溶液と呼ぶ。)。次に、グローブボックス中で100mLナス型フラスコにテルル化ビスマスナノ粒子(印加電圧:70V)とポリアニリン溶液を下記表2の構成として、攪拌子を入れ密封した。これについて48時間スターラー攪拌を行った。
水溶性ポリアニリンの合成:
300mLナス型フラスコにアニリン0.05mol(4.657g)を入れ、1mol/L塩酸水溶液(10mL)を加えた。オイルバスを80℃に加熱し、過硫酸アンモニウム0.0625mol(14.260g)を粉体で添加した。添加後数秒で激しく重合し、その時発生する熱により、塩酸水溶液に含まれる水が一瞬で気化して系から除かれ、ポリアニリンが生成した。ナス型フラスコ内に残留したポリアニリンを回収し、合成例2と同様にアセトン、水でろ過洗浄し、アンモニア水を用い脱ドープすることにより、重量平均分子量が約10000の水溶性ポリアニリンを粉体で得た。
水溶性ポリアニリンで保護されたテルル化ビスマスの合成:
合成例1において、保護剤としてポリビニルピロリドン(PVP)の代わりに、合成例3で得られた水溶性ポリアニリンを同モル量(R=4)(18mmol、419.09mg)用い、印加電圧を70Vで合成を行った以外は、合成例1で示した方法と同様な方法を用いて、水溶性ポリアニリンで保護されたテルル化ビスマス(平均粒子径:約10nm)を得た。
ハイブリッド熱電材料の製造(3)(水溶性ポリアニリン法による製造):
グローブボックス中で、4mLサンプル管に、合成例3で得られた水溶性ポリアニリンで保護されたテルル化ビスマス、合成例2で得られたポリアニリン、カンファスルホン酸、m−クレゾールを下記表4に示した構成として、攪拌子を入れ密封した。超音波を1時間照射した後、スターラー攪拌を24時間行って混合した。これをガラス板にキャストし乾燥させることによって、膜状のハイブリッド熱電材料を得た。なお、加熱によりポリアニリンが分解していると考えたため、分解していない合成例2で得られたポリアニリンを用いている。
実施例1〜実施例3のいずれのハイブリッド熱電材料についても、ポリアニリン由来のブロードのピークと、テルル化ビスマス由来のシャープなピークが確認されたため、得られた膜状のハイブリッド熱電材料にはポリアニリンとテルル化ビスマスが存在していることが確認できた。
得られた膜状のハイブリッド熱電材料を瑪瑙乳鉢でできる限り粉砕し、KBr法によってFT−IR測定を測定した。酸化物が存在する場合、2つのピークが観測される。エーテル(酸素が結晶構造中に入り込んでいる)及びケトン(テルル化ビスマス表面においてなりえる構造)の2つのピークが確認されると考えられるが、実施例1〜実施例3のいずれの測定結果においても、かかるピークは存在しなかった。よって、これらのハイブリッド熱電材料は、テルル化ビスマスが膜にしっかり含有されているため、測定限界以上に酸化していないことが確認できた。
SEMで観察した結果、実施例1(直接配位法)及び実施例3(水溶性ポリアニリン法)で得られたハイブリッド熱電材料は、表面のなめらかな膜であることが確認できた。溶液配位法で得られたハイブリッド熱電材料は、若干ではあるが、凝集した部分がみられた。
実施例1で得られたハイブリッド熱電材料について、熱電特性測定装置を用いて、熱電変換効率の測定を行った。この測定で得られた温度差、熱起電力、電位差から、ゼーベック係数Sと電気伝導度σを算出した。算出に用いた計算式を以下に示した。
試料の厚さ(膜の厚さ) : 12.73μm
試料の幅 : 0.31cm
電極間距離 : 0.65cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 14.01μm
試料の幅 : 0.3cm
電極間距離 : 0.65cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 8.36μm
試料の幅 : 0.32cm
電極間距離 : 0.26cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 13.95μm
試料の幅 : 0.32cm
電極間距離 : 0.7cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 7.54μm
試料の幅 : 0.96cm
電極間距離 : 0.692cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 18.9μm
試料の幅 : 1.12cm
電極間距離 : 0.527cm
フェノール0.528mol(49.69g)にホルマリン水溶液1.06mol(31.83g)、水酸化ナトリウム49.5mmol(1.98g)を加えた。80℃で2時間の加熱還流を行うことにより、レゾール樹脂水溶液を得た。一方、この状態ではまだ不純物が存在するので、イオン交換樹脂を用いpH11からpH4に調整し、無機塩の除去を行うことによりレゾール樹脂を得た。無機塩が除去された1−ブタノールを過剰量加え、エバポレーターで溶媒除去を行った。これを5回繰り返し、溶液内に残留する水を除去し、水から1−ブタノールに溶媒置換を行ったレゾール樹脂を得た。
ハイブリッド熱電材料の製造(4):
合成例5で得られた1−ブタノールに溶媒置換を行ったレゾール樹脂と、合成例1で得られたテルル化ビスマスナノ粒子を以下の表5に示した構成で加え、24時間攪拌を行った。そして、減圧したグローブボックス内で120℃のホットプレートに乗せ、キャスト可能な粘性になるまで溶媒除去を行った。120℃のホットプレート上でガラス板にキャストを行い、発泡しないように徐々に真空度を下げて、120℃で24時間減圧乾燥を行った。その後、管状電気炉を用い500℃で30分間、850℃で1時間の熱処理を行うことにより、レゾール樹脂をポリアセンとし、有機−無機ハイブリッド熱電材料であるポリアセン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料を得た。
実施例4で得られたポリアセン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料について、実施例1と同様な方法を用いて、熱電変換効率の測定を行った。なお、測定はR=500について行った。電気伝導度の測定結果を図9に示す。
試料の厚さ(膜の厚さ) : 0.1cm
試料の幅 : 0.27cm
電極間距離 : 0.55cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 0.05cm
試料の幅 : 0.23cm
電極間距離 : 0.1cm
テルル化ビスマス(Bi2Te3)ナノ粒子の合成(2):
合成例1と同様な方法を用いて、混合体を調製した。得られた混合体を、マントルヒーターで加熱し、20分で280℃まで温度を上げて還流状態として加熱環流した。印加電圧を60〜70Vで加熱を続け、280℃×60分間の条件で還流を続けた。加熱終了後、電源を切り、窒素気流下、約2時間かけて冷却した。この溶液状の混合体50mLを、450mLのエタノールに入れ攪拌後、6日間放置した。放置後得られた沈殿をデカンテーションで分離し、減圧下乾燥して、無機粒子であるテルル化ビスマス(Bi2Te3)のナノ粒子を粉体で得た。
得られたテルル化ビスマス(Bi2Te3)についてXRD分析を行った結果、酸化物のピークは確認されず、テルル化ビスマスのピークのみが確認できた。
TEMにより観察した結果、合成例1と比較しても粒子径分布が広く、また、平均粒子径は約35nm(大多数が20〜50nmの範囲内)であった。
FT−IR分析により、得られたテルル化ビスマスに有機物(保護剤:PVP)が存在するか否かを確認した結果、有機物(保護剤)が全く存在しないことが確認できた。
有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造:
合成例6で得られた無機粒子であるテルル化ビスマス(Bi2Te3)ナノ粒子と、合成例2で得られたポリアニリンを用いて、実施例1に示した方法(直接配位法)と同様な方法により、R=5として、膜状のハイブリッド熱電材料を調製した。
実施例5で得られたハイブリッド熱電材料について、実施例1と同様にして熱電変換効率を測定した。結果を図10(ゼーベック係数)、図11(電気伝導度)、図12(熱電性能指数(ZT))及び図13(パワーファクター)にそれぞれ示す。なお、実施例1の評価と同様に、ポリアニリンも参照(ブランク)として測定した。
試料の厚さ(膜の厚さ) :7.54μm
試料の幅 : 0.96cm
電極間距離 : 0.692cm
試料の厚さ(膜の厚さ) : 3.57μm
試料の幅 : 1.21cm
電極間距離 : 0.658cm
Claims (4)
- 平均粒子径が1〜100nmであり、Bi−(Te、Se)系、Si−Ge系、Pb−Te系、GeTe−AgSbTe系、(Co、Ir、Ru)−Sb系及び(Ca、Sr、Bi)Co2O5系から選ばれた少なくとも1種で、保護剤が実質的に存在しない無機粒子であり、当該無機粒子に対応する前駆体、保護剤及び溶媒を混合後、前記保護剤の分解温度以上で加熱して前記無機粒子の分散溶液を調製し、当該分散溶液を精製して粉末化することにより得られる無機粒子と、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリアセン若しくはその誘導体、及びこれらの共重合体から選ばれた少なくとも1種の有機熱電材料を混合することを特徴とする有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。
- 前記有機熱電材料がポリアニリンであり、
当該ポリアニリンと、前記無機粒子と、カンファスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、トルエンスルホン酸及びリン酸から選ばれた少なくとも1種と、m−クレゾールを混合することを特徴とする請求項1に記載の有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。 - 前記無機粒子がテルル化ビスマス(Bi2Te3)であり、
前記無機粒子に対応する前駆体が四塩化テルルまたはテトラエトキシテルル、及び塩化ビスマスであり、
前記保護剤がポリビニルピロリドン(PVP)であり、
前記溶媒がテトラエチレングリコールであり、
前記保護剤の分解温度が230℃であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。 - 膜状に成形することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。
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