東北大学材料科学高等研究所（AIMR）
東北大学多元物質科学研究所
山形大学
北海道大学
名古屋工業大学

発表のポイント

〇　蜂の巣（ハニカム）状にミクロな孔のあいたガラスをMg蒸気中で加熱することで、その形状を維持して熱電変換材料^※1として知られるMg₂Si半導体の合成に成功。
〇　無機材料でありながら水や有機溶媒に浮くほど軽量なMg₂Siハニカム多孔体を実現。
〇　Mg₂Siの多孔体化により熱電変換効率の向上に必須の高電気伝導率と低熱伝導率の両立を実現へ。

概要

　エネルギー効率の改善やCO₂の大幅削減を図るために、資源的に豊富な元素で構成される軽量かつ高効率な熱電変換材料が望まれます。
　東北大学材料科学高等研究所藪浩准教授（ジュニアPI・東北大学ディスティングイッシュトリサーチャー）、東北大学多元物質科学研究所山田高広准教授、山形大学松井淳教授、および北海道大学、名古屋工業大学からなる研究グループは、熱電変換材料として知られるマグネシウムシリサイド（Mg₂Si）ハニカム多孔体の新規合成法を開発しました。
　得られたMg₂Siハニカムは、無機材料でありながら水や有機溶媒に浮くほど軽く、電気伝導率を保持したまま、1層のハニカム構造あたり熱伝導率を11％低減できることが明らかとなりました。今後、高効率で軽量な熱電変換素子の実現に向けてデバイス化を進めることで、低炭素社会実現への貢献が期待されます。
　本成果は米国化学会の雑誌であるChemistry of Materials誌のオンライン版に2020年11月25日（米国東部時間）に掲載されました。

図1．ガラス（SiO₂）コートポリブタジエンハニカムのMg蒸気アニーリングによるMg₂Siハニカム形成の模式図（孔のサイズは約5µm）

研究の内容・成果

　これまで研究グループでは、プラスチックポリマーの溶液を塗布し、高湿度の条件で乾燥・製膜すると水滴を鋳型としてサブミクロンから数十ミクロンサイズの空孔が規則正しく形成したハニカム膜が作製できることを見出し、その工業化プロセスの開発を行ってきました。またごく最近、ポリマーハニカム膜に独自のプロセスでガラス（SiO₂）膜をコートする技術を開発し、表面物性の制御などを行ってきました。
　今回研究グループでは、ガラスコートしたポリブタジエン（PB）ハニカム膜をMgと共にステンレスチューブ中に封入し、725˚Cでアニーリングを行うことでMg蒸気処理を行い、シリカコートPBハニカムをMg₂Siハニカムに形状を保ったまま変換することに成功しました（図2）。
　詳細な化学分析の結果、アニーリング温度が600〜650˚Cではシリカが還元されてSiとアモルファスカーボンが主に形成されること、725˚Cでは主にMg₂Siが形成されることが明らかとなりました。形状観察の結果、どのアニーリング温度でも鋳型となるポリマーハニカム膜と同様の多孔構造が維持されていました。
　得られたMg₂Siハニカムは、無機材料でありながら水や有機溶媒に浮くほど軽く（図3）、電気伝導率を保持したまま、多孔構造により6割以上の気孔率を持つため、1層のハニカム構造あたりの熱伝導率を11％低減できることが明らかとなりました。シリカコートPBハニカム膜は積層することも可能であるため、本結果は積層したMg₂Siハニカムが形成できる可能性、および積層Mg₂Siハニカムによる高効率で軽量な熱電変換素子の実現につながる成果です。
　今後デバイス化を進めることにより、高効率で軽量な熱電変換素子による廃熱からのエネルギー変換を実現させ、低炭素社会実現への貢献が期待されます。
　本成果は米国化学会の雑誌であるChemistry of Materials誌のオンライン版に2020年11月25日（米国東部時間）に掲載され、成果の内容を示した図がSupplementary Coverにも採択されました。

図2.　Mg₂Siハニカムの作製方法とシリカコートPBハニカムおよびMg₂Siハニカムの電子顕微鏡写真

図3．水に浮くMg₂Siハニカムの写真

用語解説

^※1熱電変換材料
温度差を電気に変えることができる半導体物質。n型とp型があり、これら2種の熱電変換材料を接合し、その両端に温度差を生じると起電力が生じ、発電できる。

論文情報

論文名：Highly Porous Magnesium Silicide Honeycombs Prepared by Mag-nesium Vapor Annealing of Silica-Coated Polymer Honeycomb Films toward Ultrarightweight Thermoelectric Materials
著者名：Hiroshi Yabu*, Yasutaka Matsuo, Takahiro Yamada, Hirotaka Maeda, Jun Matsui
掲載雑誌名：Chemistry of Materials
DOI：10.1021/acs.chemmater.0c03696

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