JP2006062951A - Thermoelectric conversion material and its manufacturing method - Google Patents

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Yoshio Uchida
義男 内田
Tetsuro Taima
哲朗 當間
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an n-type thermoelectric conversion material comprising an oxide, especially having a smaller heat conductivity value (κ). <P>SOLUTION: The thermoelectric conversion material is a compound containing an alkaline earth metal (Ae) and titanium (Ti) and oxygen wherein the molar ratio (Ti/Ae) of the titanium and the alkaline earth metal is two or more and at least part of titanium atoms are trivalent titanium ions. The method for manufacturing the thermoelectric conversion material comprises a step of sintering a metal compound mixture into the thermoelectric conversion material. The metal compound mixture contains the alkaline earth metal (Ae) and the titanium (Ti) at the molar ratio (Ti/Ae) of two or more. The metal compound mixture is held and sintered in an inert gas atmosphere or in a reducing atmosphere at a temperature of 900°C-1,700°C. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は熱電変換材料に関する。より詳しくは酸化物からなるn型の熱電変換材料に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material. More specifically, the present invention relates to an n-type thermoelectric conversion material made of an oxide.

熱電変換発電とは、熱電変換材料に温度差を付けることにより熱起電力が発生するゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによる発電である。熱電変換発電は、熱源として地熱や焼却炉の熱など種々の排熱を利用できることから、実用化可能な環境保全型の発電として期待されている。   Thermoelectric conversion power generation is power generation by converting thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect in which thermoelectromotive force is generated by applying a temperature difference to the thermoelectric conversion material. Thermoelectric power generation is expected as an environmentally-friendly power generation that can be put to practical use because it can use various exhaust heat such as geothermal heat and incinerator heat as a heat source.

熱電変換材料のエネルギー変換効率は、熱電変換材料の性能指数の値(Z)に依存する。性能指数の値(Z)は、その材料のゼーベック係数の値(α)、電気伝導度の値(σ)および熱伝導度の値(κ)を用いて、以下の式(1)で求まる値であり、この性能指数の値(Z)が大きい熱電変換材料ほど、エネルギー変換効率が良好な熱電変換材料とされている。   The energy conversion efficiency of the thermoelectric conversion material depends on the value (Z) of the figure of merit of the thermoelectric conversion material. The value of the figure of merit (Z) is a value obtained by the following equation (1) using the value of the Seebeck coefficient (α), the value of electrical conductivity (σ) and the value of thermal conductivity (κ) of the material. The thermoelectric conversion material having a larger value of performance index (Z) is considered to be a thermoelectric conversion material having better energy conversion efficiency.

Z=α2×σ/κ (1) Z = α 2 × σ / κ (1)

熱電変換材料にはゼーベック係数が正の値であるp型熱電変換材料と、ゼーベック係数が負の値であるn型熱電変換材料とがある。通常、熱電変換発電には、p型熱電変換材料とn型熱電変換材料とを電気的に直列に接続した熱電変換素子が使用される。熱電変換素子のエネルギー変換効率は、このp型熱電変換材料およびn型熱電変換材料の性能指数の値(Z)に依存するため、エネルギー変換効率が良好な熱電変換素子を得るために、性能指数の値(Z)が大きいp型熱電変換材料およびn型熱電変換材料が求められている。   The thermoelectric conversion materials include a p-type thermoelectric conversion material having a positive Seebeck coefficient and an n-type thermoelectric conversion material having a negative Seebeck coefficient. Usually, a thermoelectric conversion element in which a p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material are electrically connected in series is used for thermoelectric conversion power generation. Since the energy conversion efficiency of the thermoelectric conversion element depends on the value (Z) of the performance index of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material, in order to obtain a thermoelectric conversion element with good energy conversion efficiency, the performance index A p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material having a large value (Z) are required.

また、酸化物からなるn型熱電変換材料として、Zn0.98Al0.02Oからなる熱電変換材料(例えば、特許文献1参照。)やペロブスカイト型結晶構造を有するSrTiO3からなる熱電変換材料(例えば、特許文献2参照。)などが提案されている。 Further, as an n-type thermoelectric conversion material made of an oxide, a thermoelectric conversion material made of Zn 0.98 Al 0.02 O (see, for example, Patent Document 1) or a thermoelectric conversion material made of SrTiO 3 having a perovskite crystal structure (for example, a patent) Reference 2) is proposed.

特開平8−186293号公報JP-A-8-186293 特開平8−231223号公報JP-A-8-231223

しかしながら、従来の酸化物からなるn型熱電変換材料においては、熱伝導度の値(κ)が十分ではなかった。本発明の目的は、酸化物からなるn型熱電変換材料で、熱伝導度の値(κ)がより小さい材料を提供することにある。   However, in the conventional n-type thermoelectric conversion material made of an oxide, the thermal conductivity value (κ) has not been sufficient. An object of the present invention is to provide an n-type thermoelectric conversion material made of an oxide and having a smaller thermal conductivity value (κ).

本発明者らは上記の課題を解決すべく、鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies aimed at solving the above problems, the present inventors have completed the present invention.

すなわち、本発明は下記の熱電変換材料およびその製造方法を提供するものである。
<1>アルカリ土類金属(Ae)とチタン(Ti)と酸素とを含有する化合物であって、チタンとアルカリ土類金属とのモル比(Ti/Ae)が2以上の値であり、チタン原子の少なくとも一部が3価のチタンイオンであることを特徴とする熱電変換材料。
<2>Ae2Ti1322、AexTi816(ただし、xは0.8以上2以下である。)およびAe2Ti613からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含有する前記の熱電変換材料。
<3>チタン原子およびその周囲の6個の酸素原子が形成する八面体同士が点および/または稜および/または面の一部を共有して結合した一次元鎖を有する結晶構造を有する化合物を含有する前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<4>全チタン原子に対する3価のチタンイオンの割合が10%以上である前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<5>化合物中の最近接のチタン原子同士の距離に対するチタン原子から最近接のアルカリ土類金属原子までの距離の比が0.5以上1.0未満の範囲である前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<6>Aeの一部がLi、K、Na、Zn、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、BiおよびPbからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換されてなる前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<7>Tiの一部がV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換されてなる前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<8>原子M(ただし、MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる一種以上の元素である。)およびその周囲の6個の酸素原子が形成するMO6八面体同士が稜の一部を共有して結合した一次元鎖が少なくとも4本集まり、互いにMO6八面体の頂点の一部を共有することで、少なくとも4本の一次元鎖で囲まれたトンネル空間を有する結晶構造である一次元トンネル型結晶構造を有する化合物を含有する熱電変換材料。
<9>一次元トンネル型結晶構造が、パイロルサイト型結晶構造、ラムスデライト型結晶構造、ホランダイト型結晶構造、ロマネサイト型結晶構造およびトドロカイト型結晶構造からなる群より選ばれる1種以上の構造である前記の熱電変換材料。
<10>相対密度が60%以上である前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<11>酸素不透過膜でコーティングしてなる前記いずれかに記載の熱電変換材料。
<12>前記いずれかに記載の熱電変換材料を有することを特徴とする熱電変換素子。
<13>焼結により熱電変換材料となる金属化合物混合物を焼結することによる熱電変換材料の製造方法であって、該金属化合物混合物がアルカリ土類金属(Ae)およびチタン(Ti)を、Ti/Aeのモル比で2以上の値となるように含有し、該金属化合物混合物を不活性ガス雰囲気中または還元性雰囲気中において900℃以上1700℃以下の範囲の温度で保持して焼結することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。
<14>焼結により熱電変換材料となる金属化合物混合物を焼結することによる熱電変換材料の製造方法であって、該金属化合物混合物がアルカリ土類金属(Ae)およびチタン(Ti)を、Ti/Aeのモル比で2以上の値となるように含有し、該金属化合物混合物を還元性雰囲気中において600℃以上1100℃以下の範囲の温度で保持して焼成し、得られる焼成品を成形し、次いで得られる成形体を不活性ガス雰囲気中または還元雰囲気中において1100℃以上1700℃以下の範囲の温度で保持して焼結することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。
<15>Aeの一部をLi、K、Na、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、BiおよびPbからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換することを特徴とする前記いずれかに記載の製造方法。
<16>Tiの一部をV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換することを特徴とする請求項前記いずれかに記載の製造方法。
That is, this invention provides the following thermoelectric conversion material and its manufacturing method.
<1> A compound containing alkaline earth metal (Ae), titanium (Ti) and oxygen, wherein the molar ratio of titanium to alkaline earth metal (Ti / Ae) is 2 or more, and titanium A thermoelectric conversion material, wherein at least some of the atoms are trivalent titanium ions.
<2> One or more compounds selected from the group consisting of Ae 2 Ti 13 O 22 , Ae x Ti 8 O 16 (where x is 0.8 or more and 2 or less) and Ae 2 Ti 6 O 13 The said thermoelectric conversion material to contain.
<3> A compound having a crystal structure having a one-dimensional chain in which octahedrons formed by titanium atoms and six oxygen atoms around the titanium atoms share points and / or edges and / or part of faces. The thermoelectric conversion material according to any one of the above.
<4> The thermoelectric conversion material according to any one of the above, wherein the ratio of trivalent titanium ions to all titanium atoms is 10% or more.
<5> The ratio according to any one of the above, wherein the ratio of the distance from the titanium atom to the nearest alkaline earth metal atom to the distance between the nearest titanium atoms in the compound is in the range of 0.5 or more and less than 1.0. Thermoelectric conversion material.
<6> A part of Ae is substituted with one or more elements selected from the group consisting of Li, K, Na, Zn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Bi, and Pb The thermoelectric conversion material in any one.
<7> Any of the above, wherein a part of Ti is substituted with one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W The thermoelectric conversion material described in 1.
<8> atom M (where M is one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W) and At least four one-dimensional chains in which MO 6 octahedrons formed by the six oxygen atoms around them share a part of the ridge and are joined together share a part of the top of the MO 6 octahedron. A thermoelectric conversion material comprising a compound having a one-dimensional tunnel-type crystal structure, which is a crystal structure having a tunnel space surrounded by at least four one-dimensional chains.
<9> One or more types of structures in which the one-dimensional tunnel-type crystal structure is selected from the group consisting of a pyrolsite-type crystal structure, a ramsdellite-type crystal structure, a hollandite-type crystal structure, a romanesite-type crystal structure, and a todorokite-type crystal structure Said thermoelectric conversion material.
<10> The thermoelectric conversion material according to any one of the above, wherein the relative density is 60% or more.
<11> The thermoelectric conversion material according to any one of the above, which is coated with an oxygen-impermeable film.
<12> A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material according to any one of the above.
<13> A method for producing a thermoelectric conversion material by sintering a metal compound mixture that becomes a thermoelectric conversion material by sintering, wherein the metal compound mixture contains alkaline earth metal (Ae) and titanium (Ti), Ti / Ae is contained so as to have a value of 2 or more, and the metal compound mixture is held at a temperature in the range of 900 ° C. to 1700 ° C. in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere and sintered. The manufacturing method of the thermoelectric conversion material characterized by the above-mentioned.
<14> A method for producing a thermoelectric conversion material by sintering a metal compound mixture that becomes a thermoelectric conversion material by sintering, wherein the metal compound mixture contains alkaline earth metal (Ae) and titanium (Ti), Ti / Ae is contained so as to have a value of 2 or more, and the metal compound mixture is fired while being held in a reducing atmosphere at a temperature in the range of 600 ° C. to 1100 ° C., and the resulting fired product is molded. A method for producing a thermoelectric conversion material, wherein the obtained molded body is sintered while being held at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1700 ° C. in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere.
<15> A portion of Ae is substituted with one or more elements selected from the group consisting of Li, K, Na, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Bi, and Pb The manufacturing method in any one of the said.
<16> A part of Ti is substituted with one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W. The manufacturing method according to claim 1.

本発明の熱電変換材料は、安価なTiを含有する酸化物からなるn型の熱電変換材料であり、熱伝導度の値(κ)がより小さく、性能指数の値(Z)が良好であり、本発明の熱電変換材料はエネルギー変換効率が良好であるため、本発明は工業的に極めて有用である。   The thermoelectric conversion material of the present invention is an n-type thermoelectric conversion material composed of an inexpensive Ti-containing oxide, has a smaller thermal conductivity value (κ) and a better figure of merit (Z). Since the thermoelectric conversion material of the present invention has good energy conversion efficiency, the present invention is extremely useful industrially.

本発明の熱電変換材料は、アルカリ土類金属(Ae)とチタン(Ti)と酸素とを含有する化合物であって、チタンとアルカリ土類金属とのモル比(Ti/Ae)が2以上の値であり、チタン原子の少なくとも一部が3価のチタンイオンであることを特徴とする。Ti/Aeが2未満であると、熱伝導度の値が大きくなる傾向があり、好ましくない。また、ゼーベック係数と電気伝導度を大きくする意味で、Ti/Aeは3以上であることが好ましく、4以上がより好ましい。Ti/Aeの上限は通常は20程度であり、20を超えると性能指数の値(Z)が小さくなる傾向がある。また、Ti/Aeは4以上7以下の値であることがさらにより好ましい。   The thermoelectric conversion material of the present invention is a compound containing alkaline earth metal (Ae), titanium (Ti) and oxygen, and the molar ratio of titanium to alkaline earth metal (Ti / Ae) is 2 or more. And at least part of the titanium atoms are trivalent titanium ions. If Ti / Ae is less than 2, the thermal conductivity tends to increase, which is not preferable. Further, Ti / Ae is preferably 3 or more and more preferably 4 or more in order to increase the Seebeck coefficient and electric conductivity. The upper limit of Ti / Ae is usually about 20, and if it exceeds 20, the figure of merit (Z) tends to decrease. Further, Ti / Ae is more preferably 4 or more and 7 or less.

本発明の熱電変換材料は、Ae2Ti1322、AexTi816(ただし、xは0.8以上2以下である。)、AeTi714およびAe2Ti613からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含有することが好ましく、AexTi816(ただし、xは0.8以上2以下である。)を含有することがより好ましい。 The thermoelectric conversion material of the present invention, Ae 2 Ti 13 O 22, Ae x Ti 8 O 16 ( here, x is 0.8 to 2.), Consisting AeTi 7 O 14 and Ae 2 Ti 6 O 13 It is preferable to contain one or more compounds selected from the group, and it is more preferable to contain Ae x Ti 8 O 16 (where x is 0.8 or more and 2 or less).

また、電気伝導度を高くする意味で、本発明の熱電変換材料は、チタン原子およびその周囲の6個の酸素原子が形成する八面体同士が点および/または稜および/または面の一部を共有して結合した一次元鎖を有する結晶構造を有する化合物を含有することが好ましく、該化合物の中でも該八面体同士が稜の一部を共有して結合した一次元鎖を有する結晶構造を有する化合物がさらに好ましい。   In addition, in the sense of increasing the electrical conductivity, the thermoelectric conversion material of the present invention is such that the octahedrons formed by the titanium atoms and the six surrounding oxygen atoms form points and / or edges and / or part of the faces. It is preferable to contain a compound having a crystal structure having a one-dimensional chain bonded and bonded, and among the compounds, the octahedron has a crystal structure having a one-dimensional chain bonded by sharing a part of a ridge. More preferred are compounds.

本発明の熱電変換材料は、全チタン原子に対する3価のチタンイオンの割合が10%以上であってもよい。3価のチタンイオンの割合が少ないと、n型熱電変換材料の電気伝導度が低下することにより性能指数が低下する場合がある。また、3価のチタンイオンの割合の上限は、すべてのチタン原子が3価のチタンイオンであってもよいが、50%以下であることがより好ましい。例えば、上述の化合物中の全チタン原子に対する3価のチタンイオンの割合は、Ae2Ti1322においては92%であり、AexTi816(ただし、xは0.8以上2以下である。)においてはx=0.8のとき20%でx=2のとき50%、Ae2Ti613においては33%である。また、使用温度が低い用途では、これらの結晶構造に酸素欠損を生じさせ、3価のチタンイオンの割合を制御できる。なお、これらの中で好ましいAexTi816はホランダイト型の結晶構造を有し、構成元素にもよるが、xが2以下でこの構造を保持できる。AexTi816ではAe量(x)で3価のチタンイオン量を制御することができる。 In the thermoelectric conversion material of the present invention, the ratio of trivalent titanium ions to all titanium atoms may be 10% or more. When the ratio of trivalent titanium ions is small, the figure of merit may be lowered due to a decrease in electrical conductivity of the n-type thermoelectric conversion material. Moreover, although the upper limit of the ratio of a trivalent titanium ion may be a trivalent titanium ion for all the titanium atoms, it is more preferable that it is 50% or less. For example, the ratio of trivalent titanium ions to all titanium atoms in the above compound is 92% in Ae 2 Ti 13 O 22 and Ae x Ti 8 O 16 (where x is 0.8 or more and 2 or less. In the case of x = 0.8, it is 20%, x = 2 is 50%, and Ae 2 Ti 6 O 13 is 33%. In applications where the operating temperature is low, oxygen vacancies are generated in these crystal structures, and the ratio of trivalent titanium ions can be controlled. Of these, preferable Ae x Ti 8 O 16 has a hollandite type crystal structure, and depending on the constituent elements, x can be maintained at 2 or less. In Ae x Ti 8 O 16 , the amount of trivalent titanium ions can be controlled by the amount of Ae (x).

また、本発明の熱電変換材料は、上記のアルカリ土類金属(Ae)および/またはチタン(Ti)の一部が、イオン半径および/または原子価の異なる元素で置換されてなってもよい。この置換により、本発明の熱電変換材料の電気伝導度を向上させたり、熱伝導度を低減させたりして、性能指数を向上させることもできる。   In the thermoelectric conversion material of the present invention, a part of the alkaline earth metal (Ae) and / or titanium (Ti) may be substituted with elements having different ionic radii and / or valences. By this substitution, the figure of merit can be improved by improving the electrical conductivity of the thermoelectric conversion material of the present invention or reducing the thermal conductivity.

Aeを置換する元素としては、具体的にはLi、K、Na、Zn、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、BiおよびPbからなる群より選ばれる1種以上の元素が挙げられ、好ましくはNa、K、Biであり、さらに好ましくはBiである。また、置換量としては、通常、Ae1モル中、0.001モル〜0.5モルである。   Specific examples of the element that substitutes Ae include one or more elements selected from the group consisting of Li, K, Na, Zn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Bi, and Pb. Na, K, Bi is preferable, and Bi is more preferable. Moreover, as substitution amount, it is 0.001 mol-0.5 mol normally in 1 mol of Ae.

Tiを置換する元素としては、具体的にはV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる1種以上の元素が挙げられ、好ましくは、V、Mnが挙げられる。また、置換量としては、通常、Ti1モル中、0.001モル〜0.5モルである。   Specific examples of the element replacing Ti include one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W. Preferably, V and Mn are used. Moreover, as substitution amount, it is 0.001 mol-0.5 mol normally in 1 mol of Ti.

なお、本発明におけるアルカリ土類金属(Ae)は、Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種を意味する。また、Aeは好ましくは、Baおよび/またはSrである。   The alkaline earth metal (Ae) in the present invention means at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr and Ba. Ae is preferably Ba and / or Sr.

また、本発明の熱電変換材料は、その結晶構造が、任意のチタン原子を選んだ場合、最近接のチタン原子同士間の距離と最近接のアルカリ土類金属原子までの距離の比((Ti−Ti)/(Ti−Ae))が0.5以上1.0未満の範囲であるものが好ましい。(Ti−Ti)/(Ti−Ae)が1.0未満であればTi原子とTi原子の距離が近く、n型熱電変換材料は電気伝導度が高くなる傾向があり、高い性能指数を示す熱電変換材料となる傾向がある。(Ti−Ti)/(Ti−Ae)の値は、例えば、BaTiO3では1.14と大きく好ましくなく、一方、例えば、BaxTi816(ただし、xは0.8以上2以下の範囲である。以下、xの値の範囲の記載は同様である。)、Ba2Ti1322、Ba2Ti613はそれぞれ、0.81、0.83、0.76と小さく好ましい。一方、(Ti−Ti)/(Ti−Ae)の下限の値は通常は0.5程度である。なお、Ti−Ae等の原子間の距離は、例えばリートベルト解析により各原子の原子座標と格子定数を求め、その値から算出することができる。 In addition, when the crystal structure of the thermoelectric conversion material of the present invention is an arbitrary titanium atom, the ratio of the distance between the nearest titanium atoms and the distance to the nearest alkaline earth metal atom ((Ti -Ti) / (Ti-Ae)) is preferably in the range of 0.5 or more and less than 1.0. If (Ti-Ti) / (Ti-Ae) is less than 1.0, the distance between Ti atoms and Ti atoms is close, and the n-type thermoelectric conversion material tends to have high electrical conductivity and exhibits a high figure of merit. It tends to be a thermoelectric conversion material. The value of (Ti—Ti) / (Ti—Ae) is, for example, 1.14 which is not preferable for BaTiO 3. On the other hand, for example, Ba x Ti 8 O 16 (where x is 0.8 or more and 2 or less). Hereinafter, the description of the range of the value of x is the same.), Ba 2 Ti 13 O 22 and Ba 2 Ti 6 O 13 are 0.81, 0.83, and 0.76, respectively, and are preferably small. . On the other hand, the lower limit value of (Ti-Ti) / (Ti-Ae) is usually about 0.5. In addition, the distance between atoms, such as Ti-Ae, can be calculated from, for example, the atomic coordinates and lattice constants of each atom obtained by Rietveld analysis.

また、本発明の熱電変換材料は、一次元トンネル型結晶構造を有する化合物を含有することを特徴とする。ここで、一次元トンネル型結晶構造は、原子M(ただし、MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる一種以上の元素である。)とその周囲の6個の酸素原子が形成するMO6八面体同士が、稜の一部を共有して連なることで一次元鎖を形成し、この一次元鎖が少なくとも4本集まり、互いにMO6八面体の頂点の一部を共有することで、少なくとも4本の一次元鎖で囲まれたトンネル空間を有する結晶構造のことをいう。またこのとき、アルカリ土類金属等は前記トンネル空間内に配置される。本発明の熱電変換材料は、この一次元トンネル型結晶構造を有する化合物を含有することで、フォノン散乱により熱伝導度を低減させることができるためか、熱伝導度の値(κ)がより小さくなるのである。 The thermoelectric conversion material of the present invention is characterized by containing a compound having a one-dimensional tunnel type crystal structure. Here, the one-dimensional tunnel type crystal structure is an atom M (where M is selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W). And the MO 6 octahedrons formed by the six oxygen atoms around it form a one-dimensional chain by sharing a part of the ridge, and this one-dimensional chain is at least A crystal structure having a tunnel space surrounded by at least four one-dimensional chains by gathering four and sharing part of the vertices of the MO 6 octahedron with each other. At this time, alkaline earth metal or the like is disposed in the tunnel space. The thermoelectric conversion material of the present invention contains a compound having this one-dimensional tunnel-type crystal structure, so that the thermal conductivity can be reduced by phonon scattering, or the thermal conductivity value (κ) is smaller. It becomes.

前記の一次元鎖としては、MO6八面体が一列に結合した形態である一重鎖、MO6八面体が二列に結合した形態である二重鎖、MO6八面体が三列に結合した形態である三重鎖等が挙げられ、前記トンネル空間が、4本の一重鎖で囲まれているとき(すなわちMO6八面体が縦一列×横一列に配置されているとき)の一次元トンネル型結晶構造をパイロルサイト型結晶構造といい、2本の一重鎖と2本の二重鎖で囲まれているとき(すなわちMO6八面体が縦一列×横二列に配置されているとき)の一次元トンネル型結晶構造をラムスデライト型結晶構造といい、4本の二重鎖で囲まれているとき(すなわちMO6八面体が縦二列×横二列に配置されているとき)の一次元トンネル型結晶構造をホランダイト型結晶構造といい、2本の二重鎖と2本の三重鎖で囲まれているとき(すなわちMO6八面体が縦二列×横三列に配置されているとき)の一次元トンネル型結晶構造をロマネサイト型結晶構造といい、4本の三重鎖で囲まれているとき(すなわちMO6八面体が縦三列×横三列に配置されているとき)の一次元トンネル型結晶構造をトドロカイト型結晶構造という。中でも、ホランダイト型結晶構造を有する化合物は高温下でも安定に存在するため、ホランダイト型結晶構造を有する化合物を含有する熱電変換材料が好ましい。ホランダイト型結晶構造の一例を図1に示す。 As the one-dimensional chain, a single chain in which MO 6 octahedrons are bonded in one row, a double chain in which MO 6 octahedrons are bonded in two rows, and an MO 6 octahedron bonded in three rows One-dimensional tunnel type when the tunnel space is surrounded by four single chains (that is, when the MO 6 octahedron is arranged in one vertical row and one horizontal row). The crystal structure is called a pyrolsite type crystal structure, and is surrounded by two single chains and two double chains (ie, when MO 6 octahedrons are arranged in one vertical row and two horizontal rows). The one-dimensional tunnel-type crystal structure is called the ramsdellite-type crystal structure, and when it is surrounded by four double chains (that is, when the MO 6 octahedron is arranged in two vertical rows and two horizontal rows) The one-dimensional tunnel type crystal structure is called a hollandite type crystal structure. Triple when it is surrounded by a chain called (i.e., when the MO 6 octahedra are arranged vertically in two rows × horizontal three rows) one-dimensional tunnel-type crystal structure Romanee site type crystal structure, four triple A one-dimensional tunnel type crystal structure when surrounded by a chain (that is, when MO 6 octahedrons are arranged in three vertical rows and three horizontal rows) is referred to as a todorokite crystal structure. Among them, a thermoelectric conversion material containing a compound having a hollandite-type crystal structure is preferable because a compound having a hollandite-type crystal structure exists stably even at high temperatures. An example of a hollandite crystal structure is shown in FIG.

また本発明の熱電変換材料は、主に粉体、焼結体、薄膜の形態で用いられ、特に、焼結体として用いられる。本発明の熱電変換材料を焼結体として用いる場合、その形状及び寸法は、熱電変換素子として適切な形状で用いることができる。具体的には、板状、円柱状、角状等、熱電変換素子として適切な形状で用いることができる。   The thermoelectric conversion material of the present invention is mainly used in the form of a powder, a sintered body, and a thin film, and particularly used as a sintered body. When using the thermoelectric conversion material of this invention as a sintered compact, the shape and dimension can be used in a suitable shape as a thermoelectric conversion element. Specifically, it can be used in a shape suitable as a thermoelectric conversion element, such as a plate shape, a columnar shape, and a square shape.

また本発明の熱電変換材料は、電気伝導度の値(σ)をより大きくする意味で、配向性の高い熱電変換材料であることが好ましい。配向性の高い熱電変換材料の形態としては、配向焼結体、単結晶等が挙げられる。   In addition, the thermoelectric conversion material of the present invention is preferably a thermoelectric conversion material with high orientation in the sense of increasing the value of electrical conductivity (σ). Examples of the form of the thermoelectric conversion material having high orientation include oriented sintered bodies and single crystals.

次に本発明の熱電変換材料を製造する方法について説明する。
本発明の熱電変換材料を焼結体の形態で用いる場合を例に挙げて、本発明の熱電変換材料を製造する方法について説明する。本発明の熱電変換材料は、焼結により本発明の熱電変換材料となる金属化合物混合物を焼結することにより製造することができ、すなわち、アルカリ土類金属(Ae)およびチタン(Ti)をTi/Aeのモル比で2以上となるように含有する金属化合物混合物を焼結することにより製造することができる。具体的には、対応する金属元素を含有する化合物を所定の組成となるように秤量し、混合した後に得られる金属化合物混合物を焼結することにより製造することができる。例えば、好ましい組成の一つであるBa1.23Ti816で表される化合物は、BaCO3とTiO2をBa:Tiのモル比が0.154:1となるように秤量し、混合した後に得られる金属化合物混合物を焼結することにより製造することができる。
Next, a method for producing the thermoelectric conversion material of the present invention will be described.
Taking the case where the thermoelectric conversion material of the present invention is used in the form of a sintered body as an example, a method for producing the thermoelectric conversion material of the present invention will be described. The thermoelectric conversion material of the present invention can be produced by sintering a metal compound mixture that becomes the thermoelectric conversion material of the present invention by sintering, that is, alkaline earth metal (Ae) and titanium (Ti) are converted to Ti. It can be produced by sintering a metal compound mixture that is contained so that the molar ratio of / Ae is 2 or more. Specifically, it can be produced by weighing a compound containing a corresponding metal element so as to have a predetermined composition and sintering the resulting metal compound mixture. For example, a compound represented by Ba 1.23 Ti 8 O 16, which is one of the preferred composition, the BaCO 3 and TiO 2 Ba: Ti molar ratio is 0.154: 1 and were weighed so as to, after mixing It can be produced by sintering the resulting metal compound mixture.

前記の金属元素を含有する化合物としては、アルカリ土類金属(Ae)、チタン、Li、K、Na、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Bi、Pb、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、Nb、Wの金属元素を含有する化合物で、例えば、酸化物を用いるか、または水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物、硫酸塩、有機酸塩など、高温で分解および/または酸化して酸化物になる化合物が使用される。また該化合物の代わりに、前記の金属元素を含有する金属を用いてもよい。チタンを含有する化合物としては、例えば、酸化チタン、金属チタン、硫酸チタニル等が挙げられ、酸化チタンが好ましく用いられ、アルカリ土類金属(Ae)を含有する化合物としては、炭酸塩、硫酸塩、水酸化物等が挙げられ、炭酸塩が好ましく用いられる。   Examples of the compound containing the metal element include alkaline earth metal (Ae), titanium, Li, K, Na, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Bi, Pb, V, Cr, and Mn. , Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb, W-containing compounds, such as oxides or hydroxides, carbonates, nitrates, halides, sulfates In addition, a compound such as an organic acid salt, which is decomposed and / or oxidized at high temperature to be an oxide, is used. Instead of the compound, a metal containing the above metal element may be used. Examples of the compound containing titanium include titanium oxide, metal titanium, titanyl sulfate and the like. Titanium oxide is preferably used, and the compound containing alkaline earth metal (Ae) includes carbonate, sulfate, A hydroxide etc. are mentioned, A carbonate is used preferably.

前記金属元素を含有する化合物の混合は、乾式混合法、湿式混合法のいずれによってもよいが、金属元素を含有する化合物をより均一に混合できる方法によることが好ましく、この場合、混合装置としては、例えばボールミル、V型混合機、振動ミル、アトライター、ダイノーミル、ダイナミックミル等の装置が挙げられる。   The mixing of the compound containing the metal element may be performed by either a dry mixing method or a wet mixing method, but preferably by a method capable of more uniformly mixing the compound containing the metal element. Examples thereof include a ball mill, a V-type mixer, a vibration mill, an attritor, a dyno mill, and a dynamic mill.

前記金属化合物混合物を、組成にもよるが、例えば900℃以上1700℃以下の範囲の温度にて0.5〜48時間保持して焼結することにより、本発明の熱電変換材料を得ることができる。焼結の温度は、好ましくは1100℃以上1400℃以下の範囲の温度であり、さらに好ましくは1200℃以上1350℃以下である。焼結温度が900℃未満では焼結し難く、熱電変換材料の組成によっては、電気伝導度の値(σ)が低下することがある。また、焼結温度が1700℃を超えるときは、熱電変換材料の組成によっては、異常粒成長や溶融することにより本発明の熱電変換材料の性能指数の値(Z)が低くなる場合がある。焼結の雰囲気としては、組成にもよるが、4価のチタンイオンを3価のチタンイオンに還元する場合には、真空中、不活性ガス雰囲気もしくは還元性雰囲気が挙げられ、還元性雰囲気が好ましい。また還元性雰囲気としては水素を含有する雰囲気が挙げられる。また、不活性ガス雰囲気としては、窒素雰囲気、希ガス雰囲気が挙げられる。   Depending on the composition, the thermoelectric conversion material of the present invention can be obtained by holding and sintering the metal compound mixture at a temperature in the range of 900 ° C. to 1700 ° C. for 0.5 to 48 hours, for example. it can. The sintering temperature is preferably in the range of 1100 ° C. to 1400 ° C., and more preferably 1200 ° C. to 1350 ° C. When the sintering temperature is less than 900 ° C., it is difficult to sinter, and depending on the composition of the thermoelectric conversion material, the value of electrical conductivity (σ) may decrease. When the sintering temperature exceeds 1700 ° C., the performance index value (Z) of the thermoelectric conversion material of the present invention may be lowered due to abnormal grain growth or melting depending on the composition of the thermoelectric conversion material. Although the sintering atmosphere depends on the composition, when reducing tetravalent titanium ions to trivalent titanium ions, an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere can be used in a vacuum. preferable. An example of the reducing atmosphere is an atmosphere containing hydrogen. Examples of the inert gas atmosphere include a nitrogen atmosphere and a rare gas atmosphere.

また、前記焼結の前に、金属化合物混合物を焼成することが好ましい。焼成して焼成品を製造することにより、前記金属化合物混合物に、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物、有機酸塩など、高温で分解および/または酸化して酸化物になり得るものが含有されている場合、酸化物としたり、炭酸ガス、結晶水を除去することも可能であり、また、焼結時に得られる焼結体の組成の均一性、焼結体の構造の均一性を向上させたり、焼結体の変形を抑制することができる。   Moreover, it is preferable to bake the metal compound mixture before the sintering. By baking to produce a fired product, the metal compound mixture can be decomposed and / or oxidized into oxides such as hydroxide, carbonate, nitrate, halide, organic acid salt, etc. at high temperature. When it is contained, it is possible to convert it into an oxide, carbon dioxide gas, and water of crystallization, and to improve the uniformity of the composition of the sintered body and the structure of the sintered body obtained during sintering. It is possible to improve or suppress deformation of the sintered body.

焼成の条件としては、組成にもよるが、例えば、金属化合物混合物に炭酸塩が含まれるものであれば、焼成温度は600℃以上1100℃以下の範囲の温度で行い、焼成雰囲気は不活性ガス雰囲気中または還元性雰囲気で行い、焼成時間は0.5〜24時間で行う。また焼成品につき粉砕を行い粉砕品を製造することもできる。この粉砕は、例えばボールミル、振動ミル、アトライター、ダイノーミル、ダイナミックミル等の通常工業的に用いられている粉砕装置により行うことができる。また、焼結の前に焼成を行った場合には、焼結は不活性ガス雰囲気中または還元雰囲気中において1100℃以上1700℃以下の範囲の温度で保持して行う。   Although the firing conditions depend on the composition, for example, if the metal compound mixture contains carbonate, the firing temperature is 600 ° C. to 1100 ° C., and the firing atmosphere is an inert gas. It is performed in an atmosphere or a reducing atmosphere, and the firing time is 0.5 to 24 hours. Further, the fired product can be pulverized to produce a pulverized product. This pulverization can be performed by a pulverizer which is usually used industrially, such as a ball mill, a vibration mill, an attritor, a dyno mill, and a dynamic mill. In addition, when firing is performed before sintering, the sintering is performed at a temperature in the range of 1100 ° C. to 1700 ° C. in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere.

また、前記焼結の前に、前記金属化合物混合物、前記仮焼品または前記粉砕品について成形を行い、成形体を製造することが好ましい。また、この成形は前記粉砕品について行うことがより好ましい。また、成形および焼結を同時に行ってもよい。成形体は、板状、角状、円柱状等の熱電変換素子として適切な形状となるように製造すればよく、成形方法としては、例えば、一軸プレス、冷間静水圧プレス(CIP)、メカニカルプレス、ホットプレス、熱間等圧プレス(HIP)などにより行うことができる。また、前記金属化合物混合物、前記仮焼品または前記粉砕品は、バインダー、分散剤、離型剤等を含有してもよい。   Moreover, it is preferable to shape | mold about the said metal compound mixture, the said calcined product, or the said ground product before the said sintering, and to manufacture a molded object. Moreover, it is more preferable to perform this molding on the pulverized product. Moreover, you may perform shaping | molding and sintering simultaneously. The molded body may be manufactured so as to have an appropriate shape as a thermoelectric conversion element such as a plate shape, a square shape, and a cylindrical shape. Examples of the molding method include uniaxial press, cold isostatic press (CIP), mechanical It can be performed by pressing, hot pressing, hot isostatic pressing (HIP) or the like. In addition, the metal compound mixture, the calcined product, or the pulverized product may contain a binder, a dispersant, a release agent, and the like.

上記に述べた本発明の熱電変換材料の製造方法は、本発明の熱電変換材料を焼結体の形態で用いる場合の本発明の熱電変換材料の製造方法であるが、このときは、焼結体の強度を確保する意味で、焼結体の密度は相対密度で60%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、さらに好ましくは95%以上である。また、相対密度が60%未満であれば、電気伝導度の値(σ)も小さくなる傾向にある。焼結体の密度は、金属化合物混合物の粒子サイズ、仮焼品の粒子サイズまたは粉砕品の粒子サイズ、成形体を製造するときの成形圧力、焼結の温度、焼結の時間等により、制御することができる。また、上記の焼結により得られる焼結体を粉砕して、焼結体粉砕品を製造して、該焼結体粉砕品について、再度上記の焼結を行ってもよい。   The method for producing the thermoelectric conversion material of the present invention described above is the method for producing the thermoelectric conversion material of the present invention when the thermoelectric conversion material of the present invention is used in the form of a sintered body. In order to ensure the strength of the body, the density of the sintered body is preferably 60% or more in relative density, more preferably 90% or more, and still more preferably 95% or more. Further, if the relative density is less than 60%, the electric conductivity value (σ) tends to be small. The density of the sintered body is controlled by the particle size of the metal compound mixture, the particle size of the calcined product or the particle size of the pulverized product, the molding pressure when producing the compact, the sintering temperature, the sintering time, etc. can do. In addition, the sintered body obtained by the above-described sintering may be pulverized to produce a sintered product, and the sintered product may be re-sintered.

また、本発明の熱電変換材料が3価のチタンイオンを含有する場合において、3価のチタンイオンが長時間の使用により酸化され性能が低下するおそれがある場合は、熱電変換材料の表面を酸素が透過しにくい酸素不透過膜でコーティングしてもよい。酸素不透過膜の材料としては具体的には、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化珪素等が挙げられ、該材料で熱電変換材料をコーティングする方法としては例えば、エアロゾルデポジション法、溶射法、CVD法(化学気相堆積法)等が挙げられる。   In the case where the thermoelectric conversion material of the present invention contains trivalent titanium ions, the surface of the thermoelectric conversion material may be oxygenated if there is a risk that the trivalent titanium ions may be oxidized and deteriorated by long-term use. The film may be coated with an oxygen-impermeable film that hardly permeates. Specific examples of the material for the oxygen-impermeable film include alumina, titania, zirconia, silicon carbide, and the like. Examples of the method for coating the thermoelectric conversion material with the material include an aerosol deposition method, a thermal spraying method, and a CVD method. (Chemical vapor deposition).

本発明の熱電変換材料は、上記の方法により製造することができるが、他の製造方法としては、共沈工程を含む方法、水熱工程を含む方法、ドライアップ工程を含む方法、スパッタリング工程を含む方法、CVDによる工程を含む方法、ゾルゲル工程を含む工程、FZ(浮遊帯域溶融法)工程を含む方法、TSCG(テンプレート型単結晶育成法)による工程を含む方法等が挙げられる。   The thermoelectric conversion material of the present invention can be produced by the above-described method, but other production methods include a method including a coprecipitation step, a method including a hydrothermal step, a method including a dry-up step, and a sputtering step. A method including a step by CVD, a method including a step by CVD, a step including a sol-gel step, a method including a FZ (floating zone melting method) step, a method including a step by TSCG (template type single crystal growth method), and the like.

また本発明の熱電変換材料を有する熱電変換素子について説明する。熱電変換素子としては、例えば、特開平5−315657号公報に開示されているような公知の技術が使用できる。また、本発明の熱電変換材料はn型熱電変換材料であるが、この場合、p型熱電変換材料を併用する。p型熱電変換材料としては、公知の技術が使用でき、例えば、NaCo24、Ca3Co49等が挙げられる(特開平9−321346号公報、特開2001−64021号公報参照)。 Moreover, the thermoelectric conversion element which has the thermoelectric conversion material of this invention is demonstrated. As the thermoelectric conversion element, for example, a known technique as disclosed in JP-A-5-315657 can be used. The thermoelectric conversion material of the present invention is an n-type thermoelectric conversion material. In this case, a p-type thermoelectric conversion material is used in combination. A known technique can be used as the p-type thermoelectric conversion material, and examples thereof include NaCo 2 O 4 and Ca 3 Co 4 O 9 (see JP-A-9-321346 and JP-A-2001-64021). .

以下、本発明を実施例により更に詳しく説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。尚、熱電変換材料の熱電特性および構造の評価は以下に示す方法を用いた。
1.電気伝導度
焼結体試料を角柱状に加工し、銀ペーストで白金線を装着し、直流四端子法により測定した。測定は窒素ガスフロー中で室温〜773Kの範囲で温度を変化させながら行った。
2.ゼーベック係数
電気伝導度測定時と同様の形状に加工した焼結体試料の両端に、銀ペーストでR熱電対および白金線を装着して、焼結体試料の温度および熱起電力を測定した。測定は窒素ガスフロー中で室温〜773Kの範囲で温度を変化させながら行った。焼結体試料の片面にエアを流入したガラス管を接触させて低温部を作り、焼結体試料両端の温度をR熱電対で測定し、同時に焼結体試料の両端面間に生じている熱起電力(ΔV)も測定した。焼結体試料両端の温度差(ΔT)は、エアの流量を制御することで1〜10℃の範囲で制御し、ΔTとΔVの傾きからゼーベック係数の値(α)を算出した。
3.熱伝導度
真空中、室温で、レーザーフラッシュ法により焼結体試料の比熱および、熱拡散率を測定した。測定には真空理工株式会社製レーザーフラッシュ法熱伝導度測定装置TC−7000型を用いた。
4.構造および組成分析
粉末試料、焼結体試料の結晶構造は、株式会社リガク製X線回折測定装置RINT2500TTR型を用いて、粉末X線回折法により分析した。試料の組成については、フィリップス社製蛍光X線装置PW1480を用いて測定した。また3価のチタンイオンの割合については、試料を1200℃大気中で酸化したときの重量増加分を、3価のチタンイオンが4価のチタンイオンに酸化される際に必要とした酸素量と仮定することにより、計算した。
5.焼結体の密度
焼結体試料の相対密度はアルキメデス法により算出した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by these. In addition, the method shown below was used for the evaluation of the thermoelectric characteristics and structure of the thermoelectric conversion material.
1. Electrical conductivity A sintered body sample was processed into a prism shape, a platinum wire was attached with a silver paste, and the measurement was performed by a DC four-terminal method. The measurement was performed while changing the temperature in the range of room temperature to 773 K in a nitrogen gas flow.
2. Seebeck coefficient An R thermocouple and a platinum wire were attached with silver paste to both ends of a sintered body sample processed into the same shape as in the measurement of electrical conductivity, and the temperature and thermoelectromotive force of the sintered body sample were measured. The measurement was performed while changing the temperature in the range of room temperature to 773 K in a nitrogen gas flow. A glass tube into which air has flowed is brought into contact with one side of the sintered body sample to create a low temperature portion, and the temperature at both ends of the sintered body sample is measured with an R thermocouple. Thermoelectromotive force (ΔV) was also measured. The temperature difference (ΔT) at both ends of the sintered body sample was controlled in the range of 1 to 10 ° C. by controlling the air flow rate, and the value (α) of the Seebeck coefficient was calculated from the slopes of ΔT and ΔV.
3. Thermal conductivity The specific heat and thermal diffusivity of the sintered body sample were measured by a laser flash method in vacuum at room temperature. For the measurement, a laser flash method thermal conductivity measuring device TC-7000 type manufactured by Vacuum Riko Co., Ltd. was used.
4). Structure and Composition Analysis The crystal structure of the powder sample and the sintered body sample was analyzed by a powder X-ray diffraction method using a Rigaku Corporation X-ray diffraction measurement apparatus RINT2500TTR type. The composition of the sample was measured using a fluorescent X-ray apparatus PW1480 manufactured by Philips. Regarding the ratio of trivalent titanium ions, the amount of weight increase when the sample was oxidized in the atmosphere at 1200 ° C. was the amount of oxygen required when the trivalent titanium ions were oxidized to tetravalent titanium ions. Calculated by assuming.
5. Density of Sintered Body The relative density of the sintered body sample was calculated by the Archimedes method.

実施例1
原料粉末に酸化チタン(石原テクノ株式会社製、PT−401M(商品名))と炭酸バリウム(日本化学工業株式会社製、LC−1(商品名))を用いた。酸化チタンおよび炭酸バリウムをモル比でBa:Ti=0.154:1となるように秤量した後に、プラスチック製のボールを混合媒体とし、乾式ボールミルにより6時間混合した。該混合粉末を2体積%水素含有窒素を流しながら1000℃で6時間保持して焼成を行い焼成品を得た。該焼成品をジルコニア製ボールを粉砕媒体に用いたボールミルにて乾式粉砕し粉砕品を得た。該粉砕品を1軸プレス(成形圧力を200kg/cm2とした。)および静水圧プレス(成形圧力を1500kg/cm2とした。)により円盤状に成形し、得られた成形体を100%水素ガスを流した焼結炉内で1300℃で12時間保持して焼結し、熱電変換材料1を得た。
Example 1
Titanium oxide (Ishihara Techno Co., Ltd., PT-401M (trade name)) and barium carbonate (Nippon Chemical Industry Co., Ltd., LC-1 (trade name)) were used as the raw material powder. Titanium oxide and barium carbonate were weighed so that the molar ratio was Ba: Ti = 0.154: 1, and then plastic balls were used as a mixing medium and mixed for 6 hours by a dry ball mill. The mixed powder was calcined by flowing nitrogen containing 2% by volume at 1000 ° C. for 6 hours to obtain a calcined product. The fired product was dry pulverized by a ball mill using zirconia balls as a pulverizing medium to obtain a pulverized product. The pulverized product was molded into a disk shape by a uniaxial press (molding pressure was 200 kg / cm 2 ) and an isostatic press (molding pressure was 1500 kg / cm 2 ), and the resulting molded body was 100%. Thermoelectric conversion material 1 was obtained by sintering at 1300 ° C. for 12 hours in a sintering furnace in which hydrogen gas was passed.

熱電変換材料1は黒色を呈しており、その相対密度は99%であった。図2に得られた焼結体のX線回折図形を示す。熱電変換材料1はBa1.23Ti816単相であり、一次元トンネル型結晶構造であるホランダイト型結晶構造を有することが確認された。組成分析の結果、試料のモル比(Ti/Ba)は、秤量時の組成と同じ6.49であった。また、全チタン原子に対する3価のチタンイオンの割合は30.8%であり、熱電変換材料1は目的とした組成の化合物、すなわちBa1.23Ti816であることが確認された。 The thermoelectric conversion material 1 was black and the relative density was 99%. FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of the sintered body obtained. The thermoelectric conversion material 1 is Ba 1.23 Ti 8 O 16 single phase, it was confirmed that the hollandite-type crystal structure is a one-dimensional tunnel-type crystal structure. As a result of the composition analysis, the molar ratio (Ti / Ba) of the sample was 6.49, which is the same as the composition at the time of weighing. Further, the ratio of trivalent titanium ions to all titanium atoms was 30.8%, and it was confirmed that the thermoelectric conversion material 1 was a compound having the intended composition, that is, Ba 1.23 Ti 8 O 16 .

図3に熱電変換材料1のゼーベック係数の温度依存性のグラフを、図4に熱電変換材料1の電気伝導度の温度依存性のグラフを、図5に熱電変換材料1の熱伝導度の温度依存性のグラフを示した。熱電変換材料1の電気伝導度は100℃で4.66×103S/m、500℃で11.2×103S/mであり、温度の上昇に伴い電気伝導度が上昇する半導体的な挙動を示した。ゼーベック係数は100℃で−136μV/K、500℃で−156μV/Kであり、すべての測定温度範囲でゼーベック係数は負の値を示し、その絶対値は100μV/Kを超える高い値を示した。熱電変換材料1は500℃以下、大気中で安定な化合物であった。熱伝導度は100℃で2.10W/mK、500℃で2.38W/mKであり、その大きさは同じくBa−Ti−O系酸化物であるBaTiO3と比較して十分に小さかった。 3 shows a graph of the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material 1, FIG. 4 shows a graph of the temperature dependence of the electrical conductivity of the thermoelectric conversion material 1, and FIG. 5 shows the temperature of the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material 1. A dependency graph is shown. The electric conductivity of the thermoelectric conversion material 1 is 4.66 × 10 3 S / m at 100 ° C. and 11.2 × 10 3 S / m at 500 ° C., and the semiconductor conductivity increases with increasing temperature. Showed a good behavior. The Seebeck coefficient was −136 μV / K at 100 ° C. and −156 μV / K at 500 ° C., and the Seebeck coefficient showed a negative value in all measurement temperature ranges, and the absolute value showed a high value exceeding 100 μV / K. . Thermoelectric conversion material 1 was a stable compound in the air at 500 ° C. or lower. The thermal conductivity was 2.10 W / mK at 100 ° C. and 2.38 W / mK at 500 ° C., and the magnitude was sufficiently smaller than that of BaTiO 3 which is also a Ba—Ti—O-based oxide.

実施例2〜6
表1に示した実施例2〜6の組成式で表される化合物になるようにモル比(Ti/Ba)を変化させて出発原料を秤量・混合し、実施例1と同様の条件で焼結体試料を作製した。Ti/Baが6.15以上8以下であるとき、試料の結晶相はホランダイト型構造を有するBaxTi816単相であり、実施例2〜6の熱電変換材料の相対密度はすべて95%以上であった。
Examples 2-6
The starting materials were weighed and mixed while changing the molar ratio (Ti / Ba) so as to be the compounds represented by the composition formulas of Examples 2 to 6 shown in Table 1, and baked under the same conditions as in Example 1. A ligation sample was prepared. When Ti / Ba is 6.15 or more and 8 or less, the crystal phase of the sample is a Ba x Ti 8 O 16 single phase having a hollandite structure, and the relative densities of the thermoelectric conversion materials of Examples 2 to 6 are all 95. % Or more.

表2に、実施例2〜6の100℃と500℃における電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導度を示す。得られた焼結体の熱電特性の評価は実施例1と同様の方法で行った。実施例2〜6のゼーベック係数はすべて負の値を示し、その絶対値は100μV/Kを超える高い値であった。実施例2〜6の熱伝導度は熱電変換材料として十分に小さな値であった。   Table 2 shows the electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity of Examples 2 to 6 at 100 ° C and 500 ° C. The thermoelectric characteristics of the obtained sintered body were evaluated in the same manner as in Example 1. All Seebeck coefficients of Examples 2 to 6 showed negative values, and the absolute values thereof were high values exceeding 100 μV / K. The thermal conductivities of Examples 2 to 6 were sufficiently small values as thermoelectric conversion materials.

実施例7〜10
表1に示した実施例7〜10の組成式で表される化合物になるように出発原料を秤量・混合し、実施例1と同様の条件で焼結体試料を作製した。実施例7〜10の試料の結晶相はホランダイト型構造を有する化合物単相であり、実施例7〜10の熱電変換材料の相対密度はすべて95%以上であった。
Examples 7-10
The starting materials were weighed and mixed so as to be the compounds represented by the composition formulas of Examples 7 to 10 shown in Table 1, and sintered body samples were produced under the same conditions as in Example 1. The crystal phases of the samples of Examples 7 to 10 were compound single phases having a hollandite structure, and the relative densities of the thermoelectric conversion materials of Examples 7 to 10 were all 95% or more.

表2に、実施例7〜10の100℃と500℃における電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導度を示す。BaをSr、Biの元素で置換することは熱電特性の向上に有効であり、特にBiの元素で置換することは電気伝導度の向上と熱伝導度の低減に有効であった。図6に実施例1、3、10における熱電変換材料の無次元性能指数ZTの温度依存性を示す。   Table 2 shows the electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity of Examples 7 to 10 at 100 ° C. and 500 ° C. Substituting Ba with the elements Sr and Bi is effective for improving the thermoelectric characteristics, and particularly substituting with the Bi element is effective for improving the electrical conductivity and reducing the thermal conductivity. FIG. 6 shows the temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material in Examples 1, 3, and 10.

Figure 2006062951
Figure 2006062951

Figure 2006062951
Figure 2006062951

ホランダイト型結晶構造の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of a hollandite type crystal structure. 実施例1の熱電変換材料のX線回折図形を示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction figure of the thermoelectric conversion material of Example 1. FIG. 実施例1の熱電変換材料のゼーベック係数の値の温度変化を示す図。The figure which shows the temperature change of the value of the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material of Example 1. FIG. 実施例1の熱電変換材料の電気伝導度の値の温度変化を示す図。The figure which shows the temperature change of the value of the electrical conductivity of the thermoelectric conversion material of Example 1. FIG. 実施例1の熱電変換材料の熱伝導度の値の温度変化を示す図。The figure which shows the temperature change of the value of the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material of Example 1. FIG. 実施例1、3、10の熱電変換材料の無次元性能指数の温度変化を示す図。The figure which shows the temperature change of the dimensionless figure of merit of the thermoelectric conversion material of Examples 1, 3, and 10.

Claims (16)

アルカリ土類金属(Ae)とチタン(Ti)と酸素とを含有する化合物であって、チタンとアルカリ土類金属とのモル比(Ti/Ae)が2以上の値であり、チタン原子の少なくとも一部が3価のチタンイオンであることを特徴とする熱電変換材料。   A compound containing alkaline earth metal (Ae), titanium (Ti) and oxygen, wherein the molar ratio of titanium to alkaline earth metal (Ti / Ae) is a value of 2 or more, and at least of titanium atoms A thermoelectric conversion material characterized in that a part thereof is a trivalent titanium ion. Ae2Ti1322、AexTi816(ただし、xは0.8以上2以下である。)およびAe2Ti613からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含有する請求項1記載の熱電変換材料。 Claims containing one or more compounds selected from the group consisting of Ae 2 Ti 13 O 22 , Ae x Ti 8 O 16 (where x is 0.8 or more and 2 or less) and Ae 2 Ti 6 O 13 Item 2. The thermoelectric conversion material according to Item 1. チタン原子およびその周囲の6個の酸素原子が形成する八面体同士が点および/または稜および/または面の一部を共有して結合した一次元鎖を有する結晶構造を有する化合物を含有する請求項1または2記載の熱電変換材料。   A compound having a crystal structure having a one-dimensional chain in which octahedrons formed by titanium atoms and six oxygen atoms around the titanium atoms share points and / or edges and / or part of the faces. Item 3. The thermoelectric conversion material according to item 1 or 2. 全チタン原子に対する3価のチタンイオンの割合が10%以上である請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of trivalent titanium ions to all titanium atoms is 10% or more. 化合物中の最近接のチタン原子同士の距離に対するチタン原子から最近接のアルカリ土類金属原子までの距離の比が0.5以上1.0未満の範囲である請求項1〜4のいずれかに記載の熱電変換材料。   The ratio of the distance from the titanium atom to the nearest alkaline earth metal atom to the distance between the nearest titanium atoms in the compound is in the range of 0.5 or more and less than 1.0. The thermoelectric conversion material as described. Aeの一部がLi、K、Na、Zn、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、BiおよびPbからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換されてなる請求項1〜5のいずれかに記載の熱電変換材料。   A part of Ae is substituted with one or more elements selected from the group consisting of Li, K, Na, Zn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Bi and Pb. The thermoelectric conversion material according to any one of 5. Tiの一部がV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換されてなる請求項1〜6のいずれかに記載の熱電変換材料。   A part of Ti is substituted with one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W. The thermoelectric conversion material in any one. 原子M(ただし、MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる一種以上の元素である。)およびその周囲の6個の酸素原子が形成するMO6八面体同士が稜の一部を共有して結合した一次元鎖が少なくとも4本集まり、互いにMO6八面体の頂点の一部を共有することで、少なくとも4本の一次元鎖で囲まれたトンネル空間を有する結晶構造である一次元トンネル型結晶構造を有する化合物を含有する熱電変換材料。 Atom M (where M is one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb, and W) and surroundings thereof At least four one-dimensional chains in which MO 6 octahedrons formed by six oxygen atoms are bonded together by sharing a part of the ridge, and by sharing a part of the vertices of the MO 6 octahedron, A thermoelectric conversion material containing a compound having a one-dimensional tunnel-type crystal structure, which is a crystal structure having a tunnel space surrounded by four one-dimensional chains. 一次元トンネル型結晶構造が、パイロルサイト型結晶構造、ラムスデライト型結晶構造、ホランダイト型結晶構造、ロマネサイト型結晶構造およびトドロカイト型結晶構造からなる群より選ばれる1種以上の構造である請求項8記載の熱電変換材料。   The one-dimensional tunnel type crystal structure is one or more types selected from the group consisting of a pyrollsite type crystal structure, a ramsdellite type crystal structure, a hollandite type crystal structure, a romanesite type crystal structure and a todorokite type crystal structure. Item 9. The thermoelectric conversion material according to Item 8. 相対密度が60%以上である請求項1〜9のいずれかに記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 9, having a relative density of 60% or more. 酸素不透過膜でコーティングしてなる請求項1〜10のいずれかに記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, which is coated with an oxygen-impermeable film. 請求項1〜11のいずれかに記載の熱電変換材料を有することを特徴とする熱電変換素子。   A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material according to claim 1. 焼結により熱電変換材料となる金属化合物混合物を焼結することによる熱電変換材料の製造方法であって、該金属化合物混合物がアルカリ土類金属(Ae)およびチタン(Ti)を、Ti/Aeのモル比で2以上の値となるように含有し、該金属化合物混合物を不活性ガス雰囲気中または還元性雰囲気中において900℃以上1700℃以下の範囲の温度で保持して焼結することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。   A method for producing a thermoelectric conversion material by sintering a metal compound mixture that becomes a thermoelectric conversion material by sintering, wherein the metal compound mixture contains alkaline earth metal (Ae) and titanium (Ti), Ti / Ae It contains so that it may become a value of 2 or more by molar ratio, This metal compound mixture is hold | maintained at the temperature of the range of 900 degreeC or more and 1700 degrees C or less in inert gas atmosphere or reducing atmosphere, and is sintered. A method for producing a thermoelectric conversion material. 焼結により熱電変換材料となる金属化合物混合物を焼結することによる熱電変換材料の製造方法であって、該金属化合物混合物がアルカリ土類金属(Ae)およびチタン(Ti)を、Ti/Aeのモル比で2以上の値となるように含有し、該金属化合物混合物を還元性雰囲気中において600℃以上1100℃以下の範囲の温度で保持して焼成し、得られる焼成品を成形し、次いで得られる成形体を不活性ガス雰囲気中または還元雰囲気中において1100℃以上1700℃以下の範囲の温度で保持して焼結することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。   A method for producing a thermoelectric conversion material by sintering a metal compound mixture that becomes a thermoelectric conversion material by sintering, wherein the metal compound mixture contains alkaline earth metal (Ae) and titanium (Ti), Ti / Ae It contains so that it may become a value of 2 or more by molar ratio, this metal compound mixture is hold | maintained at the temperature of the range of 600 degreeC or more and 1100 degrees C or less in reducing environment, and the obtained baked product is shape | molded, A method for producing a thermoelectric conversion material, characterized in that the obtained molded body is held and sintered in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere at a temperature in the range of 1100 ° C to 1700 ° C. Aeの一部をLi、K、Na、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、BiおよびPbからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換することを特徴とする請求項13または14記載の製造方法。   14. A part of Ae is substituted with one or more elements selected from the group consisting of Li, K, Na, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Bi, and Pb. Or the manufacturing method of 14. Tiの一部をV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Hf、Sn、NbおよびWからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換することを特徴とする請求項13〜15のいずれかに記載の製造方法。   14. A part of Ti is substituted with one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Hf, Sn, Nb and W. The manufacturing method in any one of -15.
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