PowerPoint プレゼンテーション

材料工学教育研究分野（1分野）H27.4.1 卒業研究題目説明

環境・熱電材料研究グループ（魯）

研究方向：

■環境浄化機能材料（光触媒）の研究開発

■新エネルギー材料としての熱電材料の研究開発

http://apei.tu.chiba-u.jp/Luyun-HP.html

1

酸化物熱電材料の創製と高機能化

■現状と課題

熱電材料には既に多くの応用例があるが、Biや Te等の稀少・有害の元素の使用、高温への応用、 高性能化等の課題が残されている。

■本研究グループでの挑戦

ナノ化、複合化、メカニカルアロイ（MA）、放電プラズマ焼結、還元処理、他元 素添加、配向処理などの手段を駆使して高温使用可能な高機能熱電材料・デ バイスを目指して、酸化物熱電材料の創製、機能評価、応用を行っている。

■熱電材料とは

熱電効果を利用して熱と電気を直接に相互に効 率的に変換できる材料である。 ・熱電ウォッチ 腕と外気の温度 差で発電、半永 久的作動 ・熱電発電デバイス 出力例： 15W(DC) 加熱面：500℃、冷却面：20℃ 寸 法：14.4cm2（3.7(W)×3.9cm(L)） 質 量：40g ・電子冷蔵庫 冷却圧縮器を使用しないため省ス ペース。更に電気代節約、フロンガス を使わない冷却システムのため環境 性、静音性向上。 電流 熱電材料 廃熱 地熱 太陽熱等 電 気 熱電材料 2

■本研究グループでの挑戦

メカニカルコーティング法による薄膜創製、ナノ化、複合化、高温酸化、多孔 質、他元素添加、還元処理、溶融塩処理等の手段によって酸化チタン複合光 触媒の創製、高機能化や可視光化の実現、機能評価、またその実用

■現状と課題

酸化チタン光触媒には大気浄化、セルフク リーニング、消臭、抗菌等の効果を利用して 広範な実用はあるが、高機能化、可視光化、 広 範 な 実 用 等 の 課 題 が 残 さ れ て い る 。

■

光触媒とは

酸化チタン光触媒が光を吸収すると活性酸 素による強い酸化作用と超親水作用の2つ 機能によってガラス・鏡の曇り防止や防汚、 汚れの分解、消臭・脱臭、抗菌・殺菌、有害 物質の除去等の環境浄化機能が発現できる。 光触媒の 活性化 VB CB BG e -h+ BG=3.2eV ↓ <390nm h+h+_h+ e -e -e -発生 吸着 _H 2O, O2 O2-, ・OH 太 陽

TiO

2

環境浄化機能材料の創製と高機能化

―TiO2光触媒について― 空気 浄化 水浄化 抗菌 殺菌 防汚 防曇

光触媒

3

平成27年度卒研テーマ

研究テーマ

グループの

_院生

1) in-situ還元によるTiO2-x高性能熱電材料の創製 菊池、遠山、 河原田 2) SPSによる熱電材料としての金属間化合物の作製と性能評価 ■マグネリ相の解析と熱電性能（予備） 3)メカニカルコーティング法による複合光触媒薄膜の作製と高機能化 関、宮澤、近藤、 春日 4)開発した高機能光触媒材料を用いた環境浄化ユニットの開発 5)球殻状金属薄膜の電気抵抗率の4接点測定法の新規開発 ■光触媒の機能耐久性に関する研究 （予備） 4

受け入れ人数 12T：4名、10T以前： 0～1名

5

１．不定比酸化チタンTiO

_2-x

熱電材料

２．Ti

_p

, Cu

p

/TiO

2-x

複合熱電材料

不定比酸化チタン熱電材料

不定比酸化チタンTiO

_2-x SPS焼結 ↓ TiO2-x SPS焼結→TiO2-x + 木炭粉末の還元処理 →TiO2-x 高温酸化法→TiO2 + 木炭粉末の還元処理 →TiO2-x + セラミックス被覆 高温酸化法→TiO2 + 木炭粉末の還元処理 →TiO2-x

①

②

③

④

研究テーマ1

6

■木炭粉末を用いた還元反応によるTiO

2-x

熱電材料の開発

木炭粉末を用いた還元処理 タンマン管Ⅰ タンマン管Ⅱ スチール管 板状TiO2 ●簡便かつ安全な酸化物の還元処理プロセスの開発 ●TiO2-xの不定比に及ぼすプロセス条件の影響の解明 ●企業（日本ガイシ㈱）と共同での応用への展開

新規還元法の提案と熱電材料の高性能化

1)Yun LU, Mitsuji HIROHASHI and Kenkichi SATO: Thermoelectric properties of non-stoichiometric titanium dioxide TiO2-xfabricated by reduction treatment using carbon powder, MATERIALS TRANSACTIONS, 47(2006), 1449-1452.

2)「金属酸化物半導体の製造方法」，特許第4106434号（平成20年4月11日） 2 2 2 2 2

C

TiO

CO

TiO

x x x







_ 研究手法： ■木炭粉末を用いた還元反応による TiO2-x熱電材料の開発 ■Ti, Cu/TiO2-x複合熱電材料の開発 研究成果： ●還元反応と複合効果による高性能熱 電材料の実現 ●高出力因子P=10×10-4_Wm-1_K-2 _の 達成 ●複合効果によるTi,Cu/TiO2-x複合熱電材料の性能向上 ●出力因子P=10×10-4_Wm-1_K-2_に達成 ●FEMを用いた熱電特性解析のモデルを確立 Temperature /K 400 600 800 1000 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 P o w e r fac to r /Wm -1K -2 Bi2Te3[5] NaCo2O4[21] CuAlO2single crystal[19] 2001 2013 Ni1-x-yNaxLiyO Ti/TiO2-x (SPS at 1373K) Copper oxide system TiO2-x

熱電材料の高性能化

7

金属間化合物

高温構造材料として

金属間化合物

高温強度 （NiAl → Tm=1638℃） 軽量 （構成元素→

Al, Si, Ti）

化学安定 （耐酸化・耐食） 組織・熱安定 （高融点、安定相）

熱電特性???

研究テーマ2

8

Ni-Al合金

NiAl→Ni

1-x

Al

1+x

→

電気抵抗率、ゼーベック係数、熱伝導率

→熱電性能

9

MCTと熱酸化処理によるTiO

2

薄膜の作製

Al

2

O

3

pot

Ti powder

Al

2

O

3

ball

+

M10-Ti

(Ti film)

TiO

2

film

Oxidation

in air

Planetary ball mill

機械的

摩擦

磨耗

衝撃

Ti成膜

10

研究テーマ3、4

11

㈱東レリサーチセンター編「高機能

コーティング」に新技術として紹介“メ

カニカルコーテイング法による環境浄

化複合光触媒薄膜”

Ti成膜ボール

ポットミルMCT

遊星型ボールミルMCT

26 h

0

10

0

100

300

500

1000 h

成膜できた金属

Ti, Cu, Zn, Fe, Sn

1 mm 1 mm

高温酸化よるTiO

₂

/Ti複合光触媒ボール

13 (b) 1073K-30h (e) 1073K-30h (a) 1073K-10h (d) 1073K-10h 50μm 300μm

薄膜の横断面

(f) 1073K-20h (a) 1073K-20h

Al

2

O

3

ボール

薄

膜

薄

膜

Al

2

O

3

ボール

14

■他の金属薄膜へのTiO

₂

の固定

→TiO

2

/Metal複合光触媒薄膜

MCTを用いた応用研究

■Ti薄膜の酸化させたTiO

2

光触媒

→TiO

₂

/Ti複合光触媒薄膜

Al2O3balls with Ti films Thermal oxidation Al2O3balls with TiO2/Ti films

Al2O3balls with metal films Millin g TiO2powder

・高機能化

・可視光応答

・応用

Al2O3balls with TiO2/Metal films

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■2端子法による球殻状薄

膜の電気抵抗測定（800gfの

荷重をかけ，3分間静止した

後測定）（

接触抵抗あり

）

↓

4端子法

球殻状薄膜の電気抵抗測定

■4端子法による電気抵抗

測定（

接触抵抗なし

）

研究テーマ5

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・卒論研究は院生とのチーム、または４年生単独で指導を受けながら行う。 ・研究テーマに関する基礎知識や世界の現状・動向等について週１回勉強 会を行う。 ・研究成果を学会や国際会議で発表してもらうことがある。 連絡先： 魯 云 （11号棟221室） Tel. 043-290-3514 実験室： 14号棟2Fと1F、11号棟201-204室（見学場所） E-mail: [email protected] URL:http://apei.tu.chiba-u.jp/Luyun-HP.html ■現在研究室学生 D2学生1名、M1とM2学生６名、 4年生5名（予定）

卒研の進め方

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