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[交流] 【其他】名古屋大学等以电解水的方式用绝缘体制备热电材料

名古屋大学等以电解水的方式用绝缘体制备热电材料
2010/11/19 00:00
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　　名古屋大学研究生院工学研究系太田裕道副教授等人，通过电解水成功地把资源量丰富的低价绝缘体氧化物钛酸锶的表面变成了具有很大热电效果的金属。热电材料可望在利用发动机余热发电的混合动力车等领域上应用。但一般热电材料是由铋、锑、铅、碲等重金属形成的化合物，不但需要地球上储藏量较少的资源，而且存在毒性较强、耐热性较低等问题，因此应用范围受限。该研究是作为科学技术振兴机构（JST）的课题解决型基础研究的一部分，由东京工业大学细野秀雄教授、东京大学幾原雄一教授等共同推进的。
　　太田等人2007年1月曾在钛酸锶中掺入铌（Nb），并将其制成厚度为0.4nm的超薄金属片，其热电性能达到了重金属化合物的两倍。但由于其制法是要在900℃高温下由人工将原子堆积起来，因此存在制造成本极高、难以实用化等问题。
　　此次的研究，新开发了含有大量水的多孔质C12A7玻璃，并提出了利用孔中所含的水来制造热电材料的方案。具体做法就是在绝缘体钛酸锶的单晶体上堆积厚约200nm的多孔质C12A7玻璃，并在蒸镀金属钛之后，向金属钛和钛酸锶之间施加电压。
　　这样，即使施加较低的电压，钛酸锶也会由于C12A7玻璃的电场效应而通过微弱的电流。施加更高的电压时，多孔质C12A7玻璃中的水就会发生电解，就会具有与金属相当的导电性。并且，因这一电解生成的H+离子为强还原剂，会使钛酸锶表面金属化，生成厚度在3nm以下的极薄金属层。
　　发表资料显示，出现很大热电效果的机理虽不明确，但推测这个金属层应该就是钛酸锶显示出很大热电效果的关键所在。其热电性能（仅指极薄金属层在室温下的性能指标）大约为原来使用铋、锑、铅、碲等稀少有毒金属等的热电材料的约2倍。
　　多孔质C12A7玻璃是把熔融的C12A7（化学式为12CaO·7Al2O3）置于氧中迅速冷却得到的、含有大量气泡的玻璃。原来的制法是在1300℃高温下熔融C12A7，然后放在氧中冷却。太田等人此次找到了在室温下制造多孔质C12A7玻璃的方法，并在研究中加以应用。这个方法就是在室温的真空容器里放入C12A7块，对其加氧并施加3～8Pa的压力，同时向块状C12A7照射激光，令C12A7飞溅从而形成薄膜。据称由这种工艺可以得到含有直径约10nm、体积分率为40％左右纳米孔的多孔质C12A7玻璃。这种多孔质C12A7玻璃的亲水性良好，可以由毛细管现象自然吸入空气中的水分（湿气），使纳米孔中充满水。
　　由于此次的制造方法只需在室温下进行水的电解，极为简便易行且成本低廉，且原材料钛酸锶也是安全的氧化物，因此有望成为可实用化的热电材料制造方法。（记者：富冈恒宪）
■日文原文
名大など、水の電気分解利用し絶縁体から熱電材料を作製--JST課題解決型基礎研究の一環として実施

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