JP2003012327A - Thermoelectric oxide material of layered alkali titanate - Google Patents

Thermoelectric oxide material of layered alkali titanate

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JP2003012327A
JP2003012327A JP2001192374A JP2001192374A JP2003012327A JP 2003012327 A JP2003012327 A JP 2003012327A JP 2001192374 A JP2001192374 A JP 2001192374A JP 2001192374 A JP2001192374 A JP 2001192374A JP 2003012327 A JP2003012327 A JP 2003012327A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric oxide material of a layered alkali titanate, its use and its producing method. SOLUTION: The starting raw materials of a titanate are such materials as titanium oxide, a chemical seed of a transition metal and an alkali compound. The titanate material is obtained by a flux or a solid phase reaction of the mixture of them in an atmosphere or an inert gas atmosphere, and furthermore it is changed to be conductive by conductive carrier controlling through different metallic ion doping or a partial reduction treatment of titanium. The above material is used for an elemental material of thermoelectric energy changing.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、導電化されたチタ
ン酸塩材料とその用途、及びその製造方法に関するもの
であり、更に詳しくは、遷移金属イオン等を骨格構造に
有し、主にチタンからなる低次元層状結晶構造のアルカ
リチタン酸塩化合物を、異種金属イオンの結晶へのドー
ピング又は不活性雰囲気下での高温焼成によるチタンの
部分還元により、導電性を付与した新しい酸化物材料
と、その電気的及び熱的特性を利用する熱電エネルギー
変換素子材料等への利用と、その製造方法に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrically conductive titanate material, its use, and a method for producing the same. More specifically, it has a transition metal ion or the like in its skeleton structure, and is mainly titanium. Alkali titanate compound having a low dimensional layered crystal structure consisting of, a new oxide material having conductivity imparted by doping titanium to a crystal of a different metal ion or by partial reduction of titanium by high temperature firing in an inert atmosphere, The present invention relates to use in a thermoelectric energy conversion element material and the like utilizing the electrical and thermal characteristics, and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電エネルギー変換材料は、例えば、化
石燃料の燃焼によるエネルギー発動機やゴミ等の焼却に
伴って発生する、エネルギーとしては従来回収不可能で
あった熱エネルギーを、直接電気エネルギーに変換し利
用することを目的とする素子材料である。熱電変換は、
p型及びn型の2種類の半導体材料を接合し、過熱下で
それぞれの材料中の導電キャリア移動度の差により発生
する電位差と、その電位差により材料から取り出した電
極間を移動する(n型からp型への)電子移動による電
流により、熱エネルギー(温度差)から電力が生じるも
のである。現在、熱電材料として、セル等の実用素子と
して利用されているのは、約8〜10%程度ではある
が、それらは、熱電材料として高い熱電変換効率を有す
ることが知られているBi−TeやFe−Si等の合金
系の材料であり、材料の熱安定性の問題から、室温〜2
00℃といった低温での利用が主である。それらの合金
系材料を利用した熱電材料は、スペースシャトル等の宇
宙船の発電装置、携帯用の腕時計用の発電機、更にはゴ
ミ処理施設で発生する廃熱を利用したパイロット試験実
施等の実用的な素子材料としても利用が知られている。
2. Description of the Related Art A thermoelectric energy conversion material directly converts thermal energy, which cannot be recovered as energy, which is generated by burning of fossil fuels such as an energy engine or incineration of dust into electrical energy. It is a device material intended to be converted and used. Thermoelectric conversion
Two types of semiconductor materials, p-type and n-type, are joined, and a potential difference caused by a difference in conductive carrier mobility in each material under overheating, and the potential difference causes movement between electrodes taken out from the material (n-type). Electric current is generated from thermal energy (temperature difference) due to the current caused by electron transfer from electron to p-type. At present, about 8 to 10% of thermoelectric materials are used as practical elements such as cells, but they are known to have high thermoelectric conversion efficiency as thermoelectric materials. It is an alloy-based material such as Fe or Si, and has room temperature to 2 due to the problem of thermal stability of the material.
It is mainly used at low temperatures such as 00 ° C. Thermoelectric materials using these alloy-based materials are used in power generation equipment for spacecraft such as space shuttles, generators for portable wristwatches, and also for practical use such as conducting pilot tests using waste heat generated in waste treatment facilities. It is also known to be used as a typical element material.

【0003】一方、一定の熱電変換効率の材料を用いて
より高いエネルギーを得るには、より高温環境下で生じ
る大きな温度差を利用することが重要になる。更に、高
温での発電機として利用するには、素子材料が長期間高
温にさらされても性能を維持することが必要である。し
かしながら、既存の合金系材料では600℃以上の高温
では表面から酸化が進み、材料特性が低下するため、高
温での長期間の使用には問題がある。それに対し、近
年、導電性及び半導体特性のある酸化物材料が知られ、
更に、それらの中には、熱電変換効率が合金系同等の8
〜10%ほどの値を有し、熱電材料として利用可能な材
料も見い出されている。それらでは、層状配列した酸化
物層中でのd電子軌道の特異的な重なりによる有効電荷
質量が大きな低移動度のn型高濃度キャリアが生じるた
め、強相関性材料として分類される。これらの酸化物材
料は、自動車排ガスの温度である600℃以上の高温雰
囲気でも酸化等による材料特性の低下が起こりにくい。
また、酸化物半導体では、一般的に温度の増加とともに
キャリア移動度が増加するため、高温雰囲気でも導電性
は向上する。
On the other hand, in order to obtain higher energy using a material having a constant thermoelectric conversion efficiency, it is important to utilize a large temperature difference generated in a higher temperature environment. Furthermore, in order to use it as a generator at high temperature, it is necessary to maintain the performance even if the element material is exposed to high temperature for a long time. However, existing alloy-based materials have a problem in long-term use at a high temperature because oxidation proceeds from the surface at a high temperature of 600 ° C. or higher and the material properties deteriorate. On the other hand, in recent years, oxide materials having conductivity and semiconductor characteristics are known,
Furthermore, among them, the thermoelectric conversion efficiency is 8 which is equivalent to alloy type.
A material having a value of about 10% and usable as a thermoelectric material has also been found. In them, n-type high-concentration carriers with large effective charge mass and low mobility are generated due to peculiar overlap of d-electron orbitals in the layered oxide layer, and thus they are classified as a strongly correlated material. These oxide materials are unlikely to deteriorate in material properties due to oxidation even in a high temperature atmosphere of 600 ° C. or higher which is the temperature of automobile exhaust gas.
Further, in an oxide semiconductor, the carrier mobility generally increases with an increase in temperature, so that the conductivity is improved even in a high temperature atmosphere.

【0004】熱電材料として高い性能を得るには、1)
導電性が高いこと(電気抵抗値が低い)、2)一定温度
差での材料中の起電圧(ゼーベック係数μV/K)が高
いこと、3)更に、素子上の温度差をできるだけ高く維
持するには、材料の熱伝導性が低いこと、が重要とな
る。しかしながら、高導電性を有する材料は、材料中の
キャリア移動度が高く、それは、同時に熱伝導の向上に
つながるので、上記1)と2)は相反する性質となる。
現在、熱電酸化物材料として高い特性を有する材料で
は、材料結晶構造に起因して、電気的性質と熱的性質の
バランスが熱電特性を左右することが知られる。
To obtain high performance as a thermoelectric material, 1)
High conductivity (low electric resistance), 2) High electromotive voltage (Seebeck coefficient μV / K) in the material at a constant temperature difference, and 3) Maintaining the temperature difference on the device as high as possible. It is important that the material has low thermal conductivity. However, a material having a high conductivity has a high carrier mobility in the material, which leads to an improvement in heat conduction at the same time, so that the above 1) and 2) have opposite properties.
At present, it is known that in a material having high properties as a thermoelectric oxide material, the balance between electrical properties and thermal properties affects the thermoelectric properties due to the material crystal structure.

【0005】このような、酸化物材料において、高い電
気特性と低熱伝導特性を共存させる試みとして、現在、
結晶構造による構造規制に基づく導電性又は熱伝導性の
異方性を利用することや、重元素を含有することによる
フォノン散乱効果を用いることが行われている。また、
多結晶材料では結晶粒子の配列や粒子界面のナノ構造制
御による組織制御で導電性と熱伝導性の同時制御等が検
討されている。現在報告されている構造制御型の熱電変
換材料は、主にp型材料であり、熱電素子として利用す
る上で、それに対するn型材料の開発が特に必要であ
る。また、資源的な問題からは、より安価で資源的に豊
富な原料を利用する必要がある。
As an attempt to make such an oxide material coexist with high electric characteristics and low heat conduction characteristics, at present,
Utilization of anisotropy of electrical conductivity or thermal conductivity based on the structural regulation by the crystal structure, and use of a phonon scattering effect by containing a heavy element have been performed. Also,
For polycrystalline materials, simultaneous control of electrical conductivity and thermal conductivity has been studied by controlling the arrangement of crystal grains and the structure control of the nanostructure at the grain interface. The structure-controlled thermoelectric conversion materials that have been reported so far are mainly p-type materials, and in order to use them as thermoelectric elements, it is particularly necessary to develop n-type materials. Also, due to resource issues, it is necessary to use cheaper and resource-rich raw materials.

【0006】このような状況下にあって、結晶構造及び
それより構成される多結晶材料組織を同時に制御できる
n型の熱電酸化物材料を開発することが重要となる。n
型半導体酸化物材料として、2次元層状結晶構造を有す
るものとして、一連のチタン酸塩が知られている。チタ
ン酸塩結晶は、容易に板状もしくは繊維状に成長するた
めに、プラスチック等の強化用として、自動車用バンパ
ー等に利用されてきたが、近年、その半導体特性を利用
して、光−化学エネルギー変換触媒等の分野における環
境材料として、酸化チタンとともに利用が期待されてい
る。また、それらは、ナノサイズのイオン交換性アルカ
リイオン層をチタン層の層間に持つため、その層間のナ
ノ空間へのインターカレーションによる化学修飾により
半導体特性の制御が可能であり、それによる特性向上が
報告されている。
Under such circumstances, it is important to develop an n-type thermoelectric oxide material capable of simultaneously controlling the crystal structure and the polycrystalline material structure composed thereof. n
A series of titanates is known as a type semiconductor oxide material having a two-dimensional layered crystal structure. Titanate crystals have been used in automobile bumpers and the like for strengthening plastics and the like because they easily grow into a plate shape or a fibrous shape. It is expected to be used together with titanium oxide as an environmental material in the field of energy conversion catalysts and the like. In addition, since they have a nano-sized ion-exchangeable alkali ion layer between the layers of the titanium layer, it is possible to control the semiconductor properties by chemical modification by intercalation into the nano space between the layers, which improves the properties. Has been reported.

【0007】一方、このような特異的な結晶構造を利用
したり、更に、それらの酸化チタン層の電導性を制御す
ることにより、熱電酸化物材料としての利用も期待でき
る。これらの層状チタン酸塩材料中の酸化チタン層間の
アルカリ金属又はアルカリ土類金属層近傍の界面では、
p型の遷移金属熱電層状酸化物材料と同様なフォノン散
乱層を形成することが期待でき、それによる熱伝導特性
の低下による熱電特性の更なる向上が見込める。更に、
一般的に、層状チタン酸塩は、板状の結晶粒子であるこ
とが知られることから、これらの粒子から構成される多
結晶材料においては、組織制御による熱電変換材料特性
が増加できると考えられる。これらのことより、導電性
向上及びチタン酸塩を挟むアルカリ金属又はアルカリ土
類金属層でのフォノン散乱等による熱伝導性の低下を利
用することができれば、新しい熱電変換酸化物材料の創
製が期待できる。更に、酸化チタンを主原料とする材料
は、資源的にも比較的豊富であり、低コストの工業材料
としては重要である。
On the other hand, by utilizing such a specific crystal structure and controlling the electrical conductivity of the titanium oxide layer, it can be expected to be used as a thermoelectric oxide material. At the interface near the alkali metal or alkaline earth metal layer between the titanium oxide layers in these layered titanate materials,
It can be expected that a phonon scattering layer similar to that of a p-type transition metal thermoelectric layered oxide material is formed, and further improvement of thermoelectric characteristics can be expected due to deterioration of heat conduction characteristics. Furthermore,
In general, layered titanates are known to be plate-shaped crystal particles, so it is considered that the thermoelectric conversion material properties can be increased by controlling the texture in a polycrystalline material composed of these particles. . From these, if it is possible to utilize the improvement in conductivity and the decrease in thermal conductivity due to phonon scattering in the alkali metal or alkaline earth metal layers sandwiching the titanate, it is expected to create a new thermoelectric conversion oxide material. it can. Further, the material containing titanium oxide as a main raw material is relatively abundant in terms of resources and is important as a low-cost industrial material.

【0008】酸化チタン層が2次元層状に配列した結晶
構造を持ち、特に、酸化チタン層ユニットが三角格子型
の酸素原子の陵共有で繋がり、層平面を形成する結晶構
造として、鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属を固溶
するαチタン酸塩結晶Nax Mx Ti2-x 4 (x=
0.2〜0.4) 等が知られている。これらの層状化合
物は、通常、アルカリフラックス法で合成できるが、半
導体的な電気特性を示すものが主である。これらの材料
を熱電材料として利用するためには、103 S/m以上
の直流導電性と数100μV/S以上の熱起電力がある
ことが望ましい。更に、5.0W/mK以下の低い熱伝
導率であることも重要である。そのためには、チタン酸
化物層の導電化が重要課題となる。
Crystal in which a titanium oxide layer is arranged in a two-dimensional layer form
It has a structure, especially the titanium oxide layer unit is a triangular lattice type
Crystal structure that is connected by the sharing of the oxygen atoms of the
As a structure, solid solution of transition metals such as iron, nickel and cobalt
Α Titanate crystalline Nax Mx Ti2-xOFour (X =
0.2-0.4) and the like are known. These layered compounds
Products can usually be synthesized by the alkali flux method, but
Most of them show conductor-like electrical characteristics. These materials
10 is used as a thermoelectric material.3 S / m or more
Has DC conductivity and several hundreds μV / S or more thermoelectromotive force
Is desirable. Furthermore, low heat transfer of 5.0 W / mK or less
Conductivity is also important. For that, titanic acid
Making the oxide layer conductive is an important issue.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】このような状況を踏ま
えて、本発明者らは、チタン酸化合物層の導電化の手法
について種々検討を進める中で、遷移金属を固溶させた
αチタン酸塩を合成し、多結晶焼結体での熱電特性を調
べたところ、高い電気導電性と低い熱伝導性を有する酸
化物材料が得られるという新しい知見を得て、本発明を
完成するに至った。本発明は、遷移金属を固溶したチタ
ン酸層状構造の導電性を向上させた層状チタン酸塩材料
を提供することを目的とするものである。また、本発明
は、層状チタン酸塩の導電化方法を提供することを目的
とするものである。また、本発明は、上記層状チタン酸
塩のチタンを部分還元することで導電性を制御した多結
晶焼結体材料を提供することを目的とするものである。
更に、本発明は、上記多結晶体とp型多結晶体を組み合
わせた熱電エネルギー変換素子を提供することを目的と
するものである。
Under these circumstances, the present inventors have been conducting various studies on a method for making the titanate compound layer conductive, and have made α-titanic acid containing a transition metal into a solid solution. As a result of synthesizing a salt and investigating the thermoelectric properties of the polycrystalline sintered body, we obtained a new finding that an oxide material having high electrical conductivity and low thermal conductivity was obtained, and completed the present invention. It was It is an object of the present invention to provide a layered titanate material in which the conductivity of a titanic acid layered structure in which a transition metal is dissolved is improved. Another object of the present invention is to provide a method for making layered titanate conductive. It is another object of the present invention to provide a polycrystalline sintered body material whose conductivity is controlled by partially reducing titanium of the above-mentioned layered titanate.
A further object of the present invention is to provide a thermoelectric energy conversion element which is a combination of the above polycrystal and p-type polycrystal.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明は、以下の技術的手段から構成される。 (1)酸化チタン、遷移金属化学種、及びアルカリ化合
物を出発原料とし、その混合物を大気中ないし不活性雰
囲気中、フラックス又は固相反応させることにより得ら
れる、主成分としてチタンを含む2次元層状結晶構造化
合物を、更に異種金属イオンのドーピング又はチタンの
部分的還元処理による導電性キャリア制御により導電化
したことを特徴とするチタン酸塩材料。 (2)2次元層状結晶構造の層間サイトに1価もしくは
2価のイオン交換可能なアルカリ金属の層を含む前記
(1)記載のチタン酸塩材料。 (3)遷移金属種の鉄、ニッケル、又はコバルト、アル
カリ金属のナトリウムを含む前記(1)記載のチタン酸
塩材料。 (4)遷移金属イオンを骨格構造に有する、2次元層構
造でn型の熱電特性を有する前記(1)記載のチタン酸
塩材料。 (5)2次元層状結晶構造化合物を、更に固相反応、フ
ラックス反応、均一沈澱反応、又は液相反応により異種
金属イオンをドーピングすることにより導電化した前記
(1)記載のチタン酸塩材料。 (6)2次元層状結晶構造化合物を、更に不活性雰囲気
で焼結することにより導電化した前記(1)記載のチタ
ン酸塩材料。 (7)前記(1)記載のチタン酸塩の分子構造に起因す
る高導電性及び低熱伝導特性等を利用する熱電エネルギ
ー変換素子材料であって、上記チタン酸塩材料とp型の
Bi−Te系金属合金、CoSb3 系スクッテルダイト
化合物、NaCo24 、Ca3 Co4 9 系酸化コバ
ルト層状化合物、又は酸化ニッケルの多結晶体を組み合
わせたことを特徴とする熱電エネルギー変換素子材料。 (8)酸化チタン、遷移金属化学種、及びアルカリ化合
物を出発原料とし、その混合物を大気中ないし不活性雰
囲気中、フラックス又は固相反応させることにより主成
分としてチタンを含む2次元層状結晶構造化合物を生成
させ、更に不活性雰囲気で焼成することにより導電化す
ることを特徴とするチタン酸塩材料の製造方法。 (9)遷移金属化学種が、遷移金属酸化物、又は遷移金
属硝酸塩であり、アルカリ化合物が、アルカリ炭酸塩又
はアルカリ硝酸塩である前記(8)記載のチタン酸塩材
料の製造方法。 (10)アルカリ金属組成を過剰にした混合物を焼成す
る前記(8)記載のチタン酸塩材料の製造方法。 (11)混合物を窒素ガス又はアルゴンガスの不活性雰
囲気中で反応させる前記(8)記載のチタン酸塩材料の
製造方法。
The present invention for solving the above-mentioned problems comprises the following technical means. (1) A two-dimensional layered structure containing titanium as a main component, which is obtained by starting a mixture of titanium oxide, a transition metal chemical species, and an alkali compound as a starting material and subjecting the mixture to a flux or a solid phase reaction in the atmosphere or an inert atmosphere. A titanate material, characterized in that the crystal structure compound is further made conductive by controlling a conductive carrier by doping with a different metal ion or partially reducing titanium. (2) The titanate material according to the above (1), which comprises a monovalent or divalent ion-exchangeable alkali metal layer at an interlayer site of a two-dimensional layered crystal structure. (3) The titanate material according to (1) above, which contains transition metal species of iron, nickel, or cobalt, or alkali metal sodium. (4) The titanate material according to (1) above, which has a two-dimensional layered structure having a transition metal ion in a skeleton structure and has n-type thermoelectric properties. (5) The titanate material as described in (1) above, wherein the two-dimensional layered crystal structure compound is further made conductive by doping with a different metal ion by a solid phase reaction, a flux reaction, a uniform precipitation reaction, or a liquid phase reaction. (6) The titanate material according to the above (1), which is made conductive by further sintering the two-dimensional layered crystal structure compound in an inert atmosphere. (7) A thermoelectric energy conversion element material utilizing high conductivity and low thermal conductivity characteristics resulting from the molecular structure of the titanate described in (1) above, wherein the titanate material and p-type Bi-Te are used. A thermoelectric energy conversion element material comprising a combination of a base metal alloy, a CoSb 3 -based skutterudite compound, NaCo 2 O 4 , a Ca 3 Co 4 O 9 -based layered cobalt oxide compound, or a nickel oxide polycrystal. (8) A two-dimensional layered crystal structure compound containing titanium as a main component by starting a titanium oxide, a transition metal chemical species, and an alkali compound as a starting material and subjecting the mixture to a flux or a solid phase reaction in the air or an inert atmosphere. Is produced and is then fired in an inert atmosphere to make it electrically conductive, which is a method for producing a titanate material. (9) The method for producing a titanate material according to (8) above, wherein the transition metal chemical species is a transition metal oxide or a transition metal nitrate, and the alkali compound is an alkali carbonate or an alkali nitrate. (10) The method for producing a titanate material according to the above (8), which comprises firing a mixture having an excessive alkali metal composition. (11) The method for producing a titanate material according to (8), wherein the mixture is reacted in an inert atmosphere of nitrogen gas or argon gas.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】次に、本発明について更に詳細に
説明する。本発明では、上記の課題を解決するために、
次の技術的手段が採用される。 1.アルカリフラックス法による遷移金属固溶層状アル
カリチタン酸塩の合成 酸化チタン、遷移金属化学種、例えば、その硝酸塩もし
くは酸化物、及びアルカリ化合物、例えば、炭酸ナトリ
ウムもしくは硝酸ナトリウムを、所定の仕込み組成、N
xx Ti2-x4 (M:遷移金属、x=0.2〜
0.4) 、で混合し、900−1350℃で、空気中も
しくはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で反応さ
せ、菱面体晶もしくは六方晶系の層状結晶構造を有する
遷移金属固溶チタン酸塩、Naxx Ti2-x4
(M:遷移金属、x=0.2〜0.4)、を合成する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, the present invention will be described in more detail. In the present invention, in order to solve the above problems,
The following technical measures are adopted. 1. Synthesis of Transition Metal Solid Solution Layered Alkali Titanate by Alkali Flux Method Titanium oxide, a transition metal species such as its nitrate or oxide, and an alkali compound such as sodium carbonate or sodium nitrate are mixed according to a predetermined composition, N
a x M x Ti 2-x O 4 (M: transition metal, x = 0.2 to
0.4), and reacted at 900-1350 ° C. in air or in an inert gas atmosphere such as argon gas to obtain a transition metal solid solution titanic acid having a rhombohedral or hexagonal layered crystal structure. Salt, Na x M x Ti 2-x O 4
(M: transition metal, x = 0.2 to 0.4).

【0012】上記酸化チタン、遷移金属化学種、アルカ
リ化合物としては、好適には、ルチル又はアナターゼ相
の酸化チタン(TiO2 )、四酸化三鉄(Fe3
4 )、四酸化三コバルト(Co34 )、酸化ニッケル
(NiO)又は高温分解可能な遷移金属を含む硝酸塩、
炭酸塩、塩化物やシュウ酸塩等、炭酸ナトリウム、硝酸
ナトリウム及び塩化ナトリウム、シュウ酸ナトリウム等
が例示されるが、特に限定されるものではなく、適宜の
ものを使用することができる。この合成反応は、特に、
遷移金属化合物の酸化による層構造の不部分的分解を抑
えるために、アルゴンガス等の不活性雰囲気中での反応
が望ましい。上記合成反応の昇温過程でナトリウムが一
部蒸発し、層間のアルカリ金属イオン、例えば、ナトリ
ウムイオンが不足すると、層状構造が不安定になるの
で、好適には、仕込みでのアルカリ金属、例えば、ナト
リウムの組成を過剰にし、生成物の水洗もしくはメタノ
ール洗浄により過剰なナトリウムを除去する。
The titanium oxide, the transition metal chemical species and the alkali compound are preferably titanium oxide (TiO 2 ) in the rutile or anatase phase and triiron tetraoxide (Fe 3 O).
4 ), tricobalt tetroxide (Co 3 O 4 ), nickel oxide (NiO) or a nitrate containing a high temperature decomposable transition metal,
Examples thereof include carbonates, chlorides, oxalates, and the like, sodium carbonate, sodium nitrate and sodium chloride, sodium oxalate, etc., but are not particularly limited, and appropriate ones can be used. This synthetic reaction
In order to suppress the partial decomposition of the layer structure due to the oxidation of the transition metal compound, the reaction in an inert atmosphere such as argon gas is desirable. Sodium is partially evaporated in the temperature rising process of the above synthetic reaction, and if the interlayer alkali metal ion, for example, sodium ion is insufficient, the layered structure becomes unstable. Therefore, preferably, the alkali metal in the charge, for example, Excess sodium is added and the product is washed with water or methanol to remove excess sodium.

【0013】2.部分還元による層状チタン酸塩の導電
化 上記1の方法で調製した粉末を焼結した多結晶体は、半
導体であるので直流導電性は低い。そこで、この多結晶
体を、更に固相反応、フラックス反応、均一沈澱反応、
又は液相反応等の反応により、異種金属イオンをドーピ
ングすることにより、あるいは上記多結晶体を更に不活
性雰囲気で焼結することにより、導電化させる。α相で
は、構造中の遷移金属イオンは3価で存在することによ
り、2次元層状構造(図1)を安定化すると考えられる
ので、例えば、Nb5+等の金属イオン固溶によりキャリ
ア濃度を制御することや、例えば、減圧−Ar置換下で
焼成して、直接、構造中のチタンを部分還元し、酸素イ
オンオーバードープの状態を作り出すことにより、n型
(電子キャリア)として導電性を制御することができ
る。更に具体的には、例えば、簡単な還元手法として、
上記層状チタン酸塩の成型体をグラファイト皿上に置
き、アルゴンガス雰囲気中1250〜1300℃の高温
で焼結することにより、層状チタン酸塩を導電化するこ
とができ、それにより、黒色の多結晶焼結体が得られ、
更に、室温でも直流導電性を示す材料が得られる。上記
キャリア濃度制御や構造中のチタンの部分還元は、適宜
の手法により行うことができる。
2. Conducting electric conductivity of layered titanate by partial reduction Since the polycrystalline body obtained by sintering the powder prepared by the above method 1 is a semiconductor, it has low DC conductivity. Therefore, this polycrystal is further subjected to solid phase reaction, flux reaction, uniform precipitation reaction,
Alternatively, the polycrystal is made conductive by doping with a different metal ion by a reaction such as a liquid phase reaction or by sintering the polycrystalline body in an inert atmosphere. In the α phase, it is considered that the transition metal ions in the structure exist in a trivalent state to stabilize the two-dimensional layered structure (FIG. 1). Therefore, for example, the solid solution of metal ions such as Nb 5+ may increase the carrier concentration. By controlling or by, for example, firing under reduced pressure-Ar substitution to directly partially reduce titanium in the structure and create an oxygen ion overdoped state, the conductivity is controlled as n-type (electron carrier). can do. More specifically, for example, as a simple reduction method,
The layered titanate molded body is placed on a graphite dish and sintered at a high temperature of 1250 to 1300 ° C. in an argon gas atmosphere, whereby the layered titanate can be made electrically conductive, whereby a black multicolored titanate can be obtained. A crystal sintered body is obtained,
Further, a material having direct current conductivity even at room temperature can be obtained. The carrier concentration control and the partial reduction of titanium in the structure can be performed by an appropriate method.

【0014】3.α相層状チタン酸塩多結晶体の熱電材
料特性 上記2で得られた多結晶焼結体は、その直流導電性、熱
起電力ならびに多結晶体の熱伝導性を測定することによ
り、n型熱電酸化物材料としての特性を評価した結果、
熱電出力因子が比較的大きく、熱伝導性が導電性セラミ
ックスとしては低い多結晶体であり、n型の熱電素子材
料として利用できることが分かった。
3. Thermoelectric Material Properties of α-Phase Layered Titanate Polycrystal The polycrystalline sintered body obtained in the above 2 is an n-type by measuring its DC conductivity, thermoelectromotive force, and thermal conductivity of the polycrystalline body. As a result of evaluating the characteristics as a thermoelectric oxide material,
It was found that it is a polycrystal having a relatively large thermoelectric output factor and a low thermal conductivity as a conductive ceramic, and can be used as an n-type thermoelectric element material.

【0015】4.熱電素子評価 本発明で得られるn型α相層状チタン酸塩多結晶体とp
型の多結晶体を用いて、そのp−n界面を電気的に接合
することにより、熱電素子を作製することができる。例
えば、上記n型α相層状チタン酸塩多結晶体(例えば、
Na0.2 Co0. 2 Ti1.84 )と、同様の層状化合物
であるp型のNaCo24 多結晶体をそれぞれ調製
し、Auペーストにてp−n界面を電気的に接合した素
子の接合側を電気炉で、例えば、800℃に加熱し、も
う一方を送風により冷却することにより、最大起電圧
0.12V、最大約18μWの熱起電力の熱電素子を得
ることができる。
4. Thermoelectric element evaluation n-type α-phase layered titanate polycrystal obtained in the present invention and p
A thermoelectric element can be produced by electrically bonding the pn interface using a type polycrystalline body. For example, the n-type α-phase layered titanate polycrystal (for example,
And Na 0.2 Co 0. 2 Ti 1.8 O 4), a similar p-type a layered compound NaCo 2 O 4 polycrystal were prepared respectively, the elements were electrically joined the p-n interface at Au paste A thermoelectric element having a maximum electromotive force of 0.12 V and a maximum of about 18 μW can be obtained by heating the joining side in an electric furnace to, for example, 800 ° C. and cooling the other side by blowing air.

【0016】以上により得られる本発明の材料は、次の
ような特徴を有する。 (1)酸化チタンの層状結晶構造を利用し、その導電キ
ャリア制御による導電化と、層状構造に起因する低熱伝
導性を利用することにより、新しいn型導電性材料等と
して利用できる材料が得られる。 (2)上記材料は、酸化チタンを主原料とし、主にアル
カリフラックス法にて合成でき、組成等の制御も容易で
あるので、安価に製造することができる。 (3)n型多結晶酸化物熱電材料等としての利用が期待
できる。 (4)不活性雰囲気下での焼成を利用することにより、
層状結晶構造の化合物を安定に合成でき、更に、チタン
サイトの部分還元により、電子キャリア生成を制御する
ことができる。
The material of the present invention obtained as described above has the following characteristics. (1) A material that can be used as a new n-type conductive material or the like can be obtained by utilizing the layered crystal structure of titanium oxide, making it conductive by controlling the conductive carriers, and utilizing the low thermal conductivity due to the layered structure. . (2) The above materials can be manufactured at low cost because titanium oxide is the main raw material and can be synthesized mainly by the alkali flux method and the composition and the like can be easily controlled. (3) Use as an n-type polycrystalline oxide thermoelectric material can be expected. (4) By utilizing firing under an inert atmosphere,
It is possible to stably synthesize a compound having a layered crystal structure, and it is possible to control the generation of electron carriers by the partial reduction of titanium sites.

【0017】[0017]

【実施例】次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定さ
れるものではない。 (1)α相層状チタン酸塩ナトリウムおよび多結晶体の
調製 市販のTiO2 (主に、アナターゼ)、Na2 CO3
(又はNa2 NO3 )及び遷移金属酸化物(又は硝酸
塩)を、Na:M:Ti=3:2:18〜9:6:14
(Naxx Ti2-x 4 ,x=0.2〜0.4)のモ
ル比で24時間ボールミル中で混合し(この場合、ナト
リウム塩の蒸発を抑えるために、50mol%過剰に混
合した)、白金坩堝中900−1350℃、空気中もし
くはアルゴンガス雰囲気中、6〜24時間反応し合成し
た。その後、生成物を粉砕し、メタノール中で洗浄し
た。その結果、1000℃以上の反応で、コバルト、ニ
ッケルないしコバルトが固溶した菱面体晶系α相チタン
酸塩ナトリウムNaxx Ti2- x4 (x=0.2〜
0.4)が生成した。図2に、フラックス法により10
00℃で合成した、コバルト、ニッケル、又は鉄を固溶
したα相層状チタン酸塩ナトリウムのXRDパターンを
示す。更に、アルゴン雰囲気中で焼成した方が、生成物
中のX線回折ピークにおいて、層状構造に起因する低角
側のピーク強度が強く、層状構造が安定な化合物が得ら
れた。
EXAMPLES Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples. (1) Preparation of α-phase layered sodium titanate and polycrystals Commercially available TiO 2 (mainly anatase), Na 2 CO 3
(Or Na 2 NO 3 ) and a transition metal oxide (or nitrate), Na: M: Ti = 3: 2: 18 to 9: 6: 14.
(Na x M x Ti 2-x O 4 , x = 0.2 to 0.4) was mixed in a ball mill for 24 hours (in this case, a 50 mol% excess was added in order to suppress evaporation of sodium salt). Were mixed), and reacted in a platinum crucible at 900-1350 ° C. in air or in an argon gas atmosphere for 6 to 24 hours to synthesize. The product was then ground and washed in methanol. As a result, in the reaction at 1000 ° C. or higher, cobalt, nickel or rhombohedral sodium α-phase titanate Na x M x Ti 2- x O 4 (x = 0.2 to
0.4) was produced. In Fig. 2, 10 by the flux method
3 shows an XRD pattern of α-phase layered sodium titanate in which cobalt, nickel, or iron was solid-solved, which was synthesized at 00 ° C. Further, in the X-ray diffraction peak in the product, the peak intensity on the low angle side due to the layered structure was stronger and the compound having a more stable layered structure was obtained by firing in an argon atmosphere.

【0018】次に、得られた粉末を約4×10×20m
mに成型し、200MPaでCIP成型後、アルゴン雰
囲気中、グラファイト製の皿にのせ、1200〜135
0℃で、6〜24時間焼成した。また、反応終了後、約
4時間で室温に冷却した。不活性雰囲気で得られた試料
は黒色であった。図3に、アルゴン雰囲気下、1200
℃で合成した、α相層状チタン酸塩ナトリウムの焼結体
のXRDパターンを、また、図4に、その多結晶焼結体
の表面のSEMを示す。不活性雰囲気にて焼結した試料
のXRDパターン(図3)は、反応前と同じであったこ
とから相変化は見られなかった。得られた多結晶焼結体
は、図4のように、ところどころ空孔が観察されたが、
粒子どうしの結合は十分に進んでいた。また、特徴的な
微細構造として、板状粒子が一方向に配列し並んだ構造
が見られた。
Next, the obtained powder is treated with about 4 × 10 × 20 m.
m, and CIP molding at 200 MPa, then place it on a graphite dish in an argon atmosphere and put it at 1200-135.
Firing was performed at 0 ° C. for 6 to 24 hours. After the reaction was completed, it was cooled to room temperature in about 4 hours. The sample obtained in the inert atmosphere was black. As shown in FIG.
An XRD pattern of a sintered body of α-phase layered sodium titanate synthesized at 0 ° C. is shown in FIG. 4, and an SEM of the surface of the polycrystalline sintered body is shown in FIG. Since the XRD pattern (FIG. 3) of the sample sintered in the inert atmosphere was the same as before the reaction, no phase change was observed. In the obtained polycrystalline sintered body, voids were observed here and there as shown in FIG.
Coupling between particles was sufficiently advanced. In addition, as a characteristic fine structure, a structure in which plate-like particles were arranged and arranged in one direction was observed.

【0019】(2)α相層状チタン酸塩ナトリウム多結
晶体の熱電特性評価 空気中1300℃で焼成したα相層状チタン酸塩ナトリ
ウム多結晶体試料では、室温で直流導電性は見られなか
ったが、一方、アルゴン雰囲気で1200℃以上で焼結
したα相層状チタン酸塩ナトリウム多結晶体では、鉄、
ニッケル、及びコバルト系のいずれの試料においても、
室温で直流導電性が確認できた。図5に、アルゴン雰囲
気中で作製した鉄、ニッケル及びコバルトを20mol
%含むα相層状チタン酸塩ナトリウム多結晶体の直流導
電率、熱起電力、及び計算した熱電出力因子(=熱起電
力の2乗×導電率)の温度変化を示す。これらの測定は
Heガス雰囲気中、真空理工ZEM−1を用いて行っ
た。α相層状チタン酸塩ナトリウムNa0.2 Co0.2
1.84 の600℃での直流導電率及び熱起電力は、
それぞれ約4×103 S/m、−180μV/Kであ
り、温度増加とともに導電率及び熱起電力の増加が見ら
れた。熱電材料の性能評価と一つの指針となる出力因子
は約1.0×10-4W/mK2 と算出できた。また、熱
起電力が負の値で、更に、電気伝導率が温度の増加とと
もに大きくなることから、n型半導体的な導電特性を示
した。これは、不活性雰囲気下でのチタンの部分的な還
元に起因した電子キャリア導電性によるものである。ま
た、大気中、1000℃でのくり返し焼成による電気特
性の変化を調べたところ、Na0.2 Co0.2 Ti1.8
4 及びNa0.2 Ni0.2 Ti1.84 では導電性の大き
な低下は見られず、還元されたチタンは安定であること
が分かった。
(2) Evaluation of Thermoelectric Properties of α-Phase Layered Sodium Titanate Polycrystalline Material In the α-phase layered sodium titanate polycrystalline material sample fired in air at 1300 ° C., no DC conductivity was observed at room temperature. However, on the other hand, in the α-phase layered sodium titanate polycrystal sintered at 1200 ° C. or higher in an argon atmosphere, iron,
For both nickel- and cobalt-based samples,
DC conductivity was confirmed at room temperature. FIG. 5 shows 20 mol of iron, nickel and cobalt produced in an argon atmosphere.
The temperature changes of the DC conductivity, the thermoelectromotive force, and the calculated thermoelectric power factor (= thermoelectric power squared × conductivity) of the α-phase layered sodium titanate polycrystalline body containing 100% are shown. These measurements were carried out in a He gas atmosphere using a vacuum processing machine ZEM-1. α-phase layered sodium titanate Na 0.2 Co 0.2 T
The DC conductivity and thermoelectromotive force of i 1.8 O 4 at 600 ° C are
It was about 4 × 10 3 S / m and −180 μV / K, respectively, and it was observed that the conductivity and the thermoelectromotive force increased as the temperature increased. The performance factor of the thermoelectric material and the output factor that serves as one guide can be calculated to be about 1.0 × 10 −4 W / mK 2 . Further, the thermoelectromotive force has a negative value, and further, the electric conductivity increases as the temperature increases, so that the conductive characteristics of an n-type semiconductor are shown. This is due to the electron carrier conductivity resulting from the partial reduction of titanium under an inert atmosphere. In addition, when the change in electrical characteristics due to repeated firing at 1000 ° C. in the atmosphere was examined, it was found that Na 0.2 Co 0.2 Ti 1.8 O
No significant decrease in conductivity was observed for 4 and Na 0.2 Ni 0.2 Ti 1.8 O 4 , indicating that the reduced titanium was stable.

【0020】一方、Na0.2 Fe0.2 Ti1.82
は、くり返し焼成した場合、酸化による導電率低下が見
られた。図6に、アルゴン雰囲気下、1250℃で合成
した、α相層状チタン酸塩ナトリウム多結晶焼結体のレ
ーザーアブレーション法で測定した熱伝導率の温度変化
を示す。レーザーフラッシュ法(真空理工TC−700
0)で測定したNa0.2 Co0.2 Ti1.84 等のα相
層状チタン酸塩ナトリウム多結晶体の見かけの熱伝導率
は、図6のように、08〜1.5W/mKで、導電性酸
化物多結晶体としては比較的小さいものであった。これ
は、酸化チタンに比べても小さく、アルカリ層をサンド
イッチした層状結晶構造に起因するものと考えられる。
測定した出力因子及び熱伝導率より算出した600−7
00℃での熱電性能指数ZTは、約0.15(エネルギ
ー変換効率約2%)であった。
On the other hand, when Na 0.2 Fe 0.2 Ti 1.8 O 2 was repeatedly fired, a decrease in conductivity due to oxidation was observed. FIG. 6 shows the temperature change of the thermal conductivity of the α-phase layered sodium titanate polycrystalline sintered body synthesized at 1250 ° C. in an argon atmosphere, which was measured by a laser ablation method. Laser flash method (Vacuum Riko TC-700
The apparent thermal conductivity of α-phase layered sodium titanate polycrystals such as Na 0.2 Co 0.2 Ti 1.8 O 4 measured in 0) is 08 to 1.5 W / mK and the conductivity is 0.8 to 1.5 W / mK as shown in FIG. The oxide polycrystal was relatively small. This is smaller than that of titanium oxide and is considered to be due to the layered crystal structure in which an alkali layer is sandwiched.
600-7 calculated from the measured output factor and thermal conductivity
The thermoelectric figure of merit ZT at 00 ° C. was about 0.15 (energy conversion efficiency of about 2%).

【0021】(3)熱電素子発電試験 上記(1)〜(2)で作製したNa0.2 Co0.2 Ti
1.84 等のα相層状チタン酸塩ナトリウム多結晶体を
n型素子として、また、同様にフラックス法と常圧焼結
(930℃、6h)で作製したNaCo24 多結晶体
をp型素子として、それぞれ約1×3×15mmの平板
に切り、先端約1mmを金ペーストにて600℃で電気
的に接合した熱電素子を作製した。次に、接合部を種々
の温度に加熱し、もう片方を空冷ファンにて冷却するこ
とによる素子の発電電力を計測した。図7に、種々の温
度での出力電圧(V)、電流(mA)及び熱電発電電力
(W)を示す。図7に示されるように、700〜800
℃で素子を過熱した場合、590〜670℃の温度差が
素子上に形成され、5〜18μW(最大起電力0.09
〜0.12V)の発電が可能となった。また、例えば、
10個の素子を直列することにより、800℃の加熱下
で約1.2V−0.2mWの発電素子が作製できた。
(3) Thermoelectric power generation test Na 0.2 Co 0.2 Ti prepared in the above (1) to (2)
An α-phase layered sodium titanate polycrystal such as 1.8 O 4 was used as an n-type element, and a NaCo 2 O 4 polycrystal produced by the flux method and pressureless sintering (930 ° C., 6 h) was used as a p-type. As a mold element, a thermoelectric element was prepared by cutting each into a flat plate of about 1 × 3 × 15 mm and electrically joining the tip of about 1 mm with a gold paste at 600 ° C. Next, the electric power generated by the device was measured by heating the junction to various temperatures and cooling the other with an air-cooling fan. FIG. 7 shows the output voltage (V), current (mA) and thermoelectric power (W) at various temperatures. As shown in FIG. 7, 700-800
When the element is overheated at 0 ° C, a temperature difference of 590 to 670 ° C is formed on the element, and 5 to 18 µW (maximum electromotive force of 0.09
Power generation of ~ 0.12V) has become possible. Also, for example,
By connecting 10 elements in series, a power generation element of about 1.2V-0.2mW could be produced under heating at 800 ° C.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、酸化チ
タン、遷移金属化学種、及びアルカリ化合物を出発原料
とし、その混合物を大気中ないし不活性雰囲気中、フラ
ックス又は固相反応させることにより得られる、主成分
としてチタンを含む2次元層状結晶構造化合物を、更に
異種金属イオンのドーピング又はチタンの部分的還元処
理による導電性キャリア制御により導電化したことを特
徴とするチタン酸塩材料、その用途及びその製造方法に
係り、本発明により、1)安価で資源的にも豊富な酸化
チタンを用いて、フラックス反応にて、層状結晶構造の
α相層状チタン酸塩ナトリウムを容易に合成することが
できる、2)チタンサイトの部分的還元処理により、例
えば、不活性ガス雰囲気での高温処理等により、キャリ
ア濃度制御を行うことにより、n型かつ電導性チタン酸
塩酸化物が合成することができる、3)新規のn型熱電
酸化物材料としての用途を期待することができる、4)
層状結晶構造中に生成する高導電特性の酸化チタン層と
熱伝導性が構造的に低下するアルカリ金属等の層の配列
構造の形成により、高導電性かつ低熱伝導性の共存した
性質を利用することができる、5)この多結晶材料をn
型として用い、他のp型多結晶酸化物素子と接合した発
電素子を作製することにより、酸化物熱電発電素子とし
ての利用が可能である、という格別の効果が得られる。
As described in detail above, according to the present invention, titanium oxide, a transition metal chemical species, and an alkali compound are used as starting materials, and a mixture thereof is subjected to a flux or solid phase reaction in the air or an inert atmosphere. A titanate material characterized in that the two-dimensional layered crystal structure compound containing titanium as a main component obtained by the above method is further made conductive by controlling a conductive carrier by doping with a different metal ion or partially reducing titanium. According to the present invention, according to the present invention, the use thereof and the production method thereof are as follows: 1) easily using a titanium oxide which is inexpensive and rich in resources, a flux reaction to easily synthesize an α-phase layered sodium titanate having a layered crystal structure. 2) The carrier concentration is controlled by a partial reduction treatment of titanium sites, for example, high temperature treatment in an inert gas atmosphere. And makes it possible to n-type and conductivity titanate hydrochloride product is synthesized, 3) can be expected use as a novel n-type thermoelectric oxide material, 4)
Utilizing the coexisting properties of high conductivity and low thermal conductivity by forming an array structure of titanium oxide layer with high conductivity property generated in layered crystal structure and layer of alkali metal etc. whose thermal conductivity is structurally reduced 5) This polycrystalline material can be
By producing a power generation element which is used as a mold and is joined to another p-type polycrystalline oxide element, it is possible to obtain a special effect that it can be used as an oxide thermoelectric power generation element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】α相層状チタン酸塩ナトリウムの結晶構造を示
す。
FIG. 1 shows a crystal structure of α-phase layered sodium titanate.

【図2】フラックス法により1000℃で合成した、コ
バルト、ニッケル又は鉄を固溶したα相層状チタン酸塩
ナトリウムのXRDパターンを示す。
FIG. 2 shows an XRD pattern of α-phase layered sodium titanate in which cobalt, nickel or iron is solid-solved, which was synthesized by a flux method at 1000 ° C.

【図3】アルゴン雰囲気下、1250℃で合成した、α
相層状チタン酸塩ナトリウムNa0.2 Co0.2 Ti1.8
4 焼結体のXRDパターンを示す。
FIG. 3: α synthesized at 1250 ° C. in an argon atmosphere
Phase Layered Sodium Titanate Na 0.2 Co 0.2 Ti 1.8
The XRD pattern of the O 4 sintered body is shown.

【図4】アルゴン雰囲気下、1250℃で合成した、α
相層状チタン酸塩ナトリウムNa0.2 Co0.2 Ti1.8
4 多結晶焼結体の表面のSEMを示す。
FIG. 4: α synthesized at 1250 ° C. in an argon atmosphere
Phase Layered Sodium Titanate Na 0.2 Co 0.2 Ti 1.8
O 4 shows the SEM of a surface of the polycrystalline sintered body.

【図5】アルゴン雰囲気下、1250℃で合成した、コ
バルト、ニッケル又は鉄を固溶したα相層状チタン酸塩
ナトリウム多結晶体の直流導電率(S/m)熱起電力
(μV/K)及び熱電出力因子(W/mK2 )の温度変
化を示す。
FIG. 5: Direct current conductivity (S / m) thermoelectromotive force (μV / K) of α-phase layered sodium titanate polycrystal solid solution of cobalt, nickel or iron synthesized at 1250 ° C. in argon atmosphere And the temperature change of the thermoelectric power factor (W / mK 2 ) are shown.

【図6】アルゴン雰囲気下、1250℃で合成した、α
相層状チタン酸塩ナトリウムNa0.2 Co0.2 Ti1.8
4 多結晶焼結体のレーザーアブレーション法での熱伝
導率の温度変化を示す。
FIG. 6: α synthesized at 1250 ° C. under an argon atmosphere
Phase Layered Sodium Titanate Na 0.2 Co 0.2 Ti 1.8
The temperature change of the thermal conductivity of the O 4 polycrystal sintered body by the laser ablation method is shown.

【図7】α相層状チタン酸塩ナトリウムNa0.2 Co
0.2 Ti1.84 多結晶焼結体を用いて試作した(n型
Na0.2 Co0.2 Ti1.84 −p型NaCo24
酸化物多結晶体熱電素子の種々の温度での出力電圧
(V)、電流(mA)及び熱電発電電力(W)を示す。
FIG. 7: α-phase layered sodium titanate Na 0.2 Co
Trial production using a 0.2 Ti 1.8 O 4 polycrystalline sintered body (n-type Na 0.2 Co 0.2 Ti 1.8 O 4 −p-type NaCo 2 O 4 ).
The output voltage (V), electric current (mA), and thermoelectric power generation (W) of the oxide polycrystalline thermoelectric element at various temperatures are shown.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 35/16 H01L 35/16 35/18 35/18 35/22 35/22 35/34 35/34 Fターム(参考) 4G002 AA06 AB01 AD02 AE05 4G031 AA01 AA04 AA11 AA21 AA22 AA23 BA02 CA01 GA01 GA08 4G048 AA03 AB01 AB05 AC08 AD06 AE05 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 35/16 H01L 35/16 35/18 35/18 35/22 35/22 35/34 35/34 F Term (reference) 4G002 AA06 AB01 AD02 AE05 4G031 AA01 AA04 AA11 AA21 AA22 AA23 BA02 CA01 GA01 GA08 4G048 AA03 AB01 AB05 AC08 AD06 AE05

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸化チタン、遷移金属化学種、及びアル
カリ化合物を出発原料とし、その混合物を大気中ないし
不活性雰囲気中、フラックス又は固相反応させることに
より得られる、主成分としてチタンを含む2次元層状結
晶構造化合物を、更に異種金属イオンのドーピング又は
チタンの部分的還元処理による導電性キャリア制御によ
り導電化したことを特徴とするチタン酸塩材料。
1. A titanium-containing main component obtained by subjecting titanium oxide, a transition metal chemical species, and an alkali compound as a starting material to a flux or solid-phase reaction of a mixture thereof in the air or an inert atmosphere, and containing titanium as a main component. A titanate material characterized in that a three-dimensional layered crystal structure compound is further made conductive by controlling conductive carriers by doping with a different metal ion or partially reducing titanium.
【請求項2】 2次元層状結晶構造の層間サイトに1価
もしくは2価のイオン交換可能なアルカリ金属の層を含
む請求項1記載のチタン酸塩材料。
2. The titanate material according to claim 1, wherein a monovalent or divalent ion-exchangeable alkali metal layer is included in an interlayer site of a two-dimensional layered crystal structure.
【請求項3】 遷移金属種の鉄、ニッケル、又はコバル
ト、アルカリ金属のナトリウムを含む請求項1記載のチ
タン酸塩材料。
3. The titanate material according to claim 1, which contains the transition metal species iron, nickel, or cobalt, or the alkali metal sodium.
【請求項4】 遷移金属イオンを骨格構造に有する、2
次元層構造でn型の熱電特性を有する請求項1記載のチ
タン酸塩材料。
4. A compound having a transition metal ion in a skeleton structure, 2.
The titanate material according to claim 1, which has an n-type thermoelectric property in a dimensional layer structure.
【請求項5】 2次元層状結晶構造化合物を、更に固相
反応、フラックス反応、均一沈澱反応、又は液相反応に
より異種金属イオンをドーピングすることにより導電化
した請求項1記載のチタン酸塩材料。
5. The titanate material according to claim 1, wherein the two-dimensional layered crystal structure compound is further made conductive by doping a different metal ion by a solid phase reaction, a flux reaction, a uniform precipitation reaction, or a liquid phase reaction. .
【請求項6】 2次元層状結晶構造化合物を、更に不活
性雰囲気で焼結することにより導電化した請求項1記載
のチタン酸塩材料。
6. The titanate material according to claim 1, wherein the two-dimensional layered crystal structure compound is made electrically conductive by further sintering in an inert atmosphere.
【請求項7】 請求項1記載のチタン酸塩の分子構造に
起因する高導電性及び低熱伝導特性等を利用する熱電エ
ネルギー変換素子材料であって、上記チタン酸塩材料と
p型のBi−Te系金属合金、CoSb3 系スクッテル
ダイト化合物、NaCo24 、Ca3 Co49 系酸
化コバルト層状化合物、又は酸化ニッケルの多結晶体を
組み合わせたことを特徴とする熱電エネルギー変換素子
材料。
7. A thermoelectric energy conversion element material utilizing the high conductivity and low thermal conductivity characteristics resulting from the molecular structure of the titanate according to claim 1, wherein the titanate material and p-type Bi- are used. A thermoelectric energy conversion element material characterized by combining a Te-based metal alloy, a CoSb 3 -based skutterudite compound, NaCo 2 O 4 , Ca 3 Co 4 O 9 -based cobalt oxide layered compound, or a nickel oxide polycrystal. .
【請求項8】 酸化チタン、遷移金属化学種、及びアル
カリ化合物を出発原料とし、その混合物を大気中ないし
不活性雰囲気中、フラックス又は固相反応させることに
より主成分としてチタンを含む2次元層状結晶構造化合
物を生成させ、更に不活性雰囲気で焼成することにより
導電化することを特徴とするチタン酸塩材料の製造方
法。
8. A two-dimensional layered crystal comprising titanium oxide, a transition metal chemical species, and an alkali compound as a starting material, and a mixture thereof is subjected to a flux or solid phase reaction in the atmosphere or an inert atmosphere to cause titanium as a main component. A method for producing a titanate material, characterized in that a structural compound is produced and further made conductive by firing in an inert atmosphere.
【請求項9】 遷移金属化学種が、遷移金属酸化物、又
は遷移金属硝酸塩であり、アルカリ化合物が、アルカリ
炭酸塩又はアルカリ硝酸塩である請求項8記載のチタン
酸塩材料の製造方法。
9. The method for producing a titanate material according to claim 8, wherein the transition metal chemical species is a transition metal oxide or a transition metal nitrate, and the alkali compound is an alkali carbonate or an alkali nitrate.
【請求項10】 アルカリ金属組成を過剰にした混合物
を焼成する請求項8記載のチタン酸塩材料の製造方法。
10. The method for producing a titanate material according to claim 8, wherein the mixture having an excessive alkali metal composition is baked.
【請求項11】 混合物を窒素ガス又はアルゴンガスの
不活性雰囲気中で反応させる請求項8記載のチタン酸塩
材料の製造方法。
11. The method for producing a titanate material according to claim 8, wherein the mixture is reacted in an inert atmosphere of nitrogen gas or argon gas.
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