JP2010228927A - Cobalt-manganese compound oxide - Google Patents

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Ryoji Funahashi
良次 舟橋
Atsuko Kosuge
厚子 小菅
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new oxide-based material, which has excellent characteristics as a P-type thermoelectric conversion material, can be used even in air at a high temperature, exhibits good environment-conscious property and is excellent from the economical viewpoint and in mass-productivity. <P>SOLUTION: A cobalt-manganese compound oxide satisfying the following conditions (1) to (3) is provided. (1) The oxide has an average composition expressed by compositional formula: Co<SB>3-x</SB>Mn<SB>x</SB>O<SB>y</SB>(where x and y are numbers satisfying 0.9≤x≤2.1 and 3.8≤y≤4.2, respectively); (2) the oxide is phase-separated into a phase of a tetragonal spinel crystal structure and a phase of a cubic spinel crystal structure; and (3) at least one phase of the phase of a tetragonal spinel crystal structure and the phase of a cubic spinel crystal structure has a length of 1 nm to 400 nm in the shortest portion. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、P型熱電変換材料として優れた性能を有するコバルト−マンガン系複合酸化物、その製造方法、及びその用途に関する。 The present invention relates to a cobalt-manganese composite oxide having excellent performance as a P-type thermoelectric conversion material, a production method thereof, and an application thereof.

我が国では、一次供給エネルギーからの有効なエネルギーの得率は30%程度しかなく
、約70%ものエネルギーを最終的には熱として大気中に廃棄している。また、工場及び
ごみ焼却場など燃焼により生ずる熱も他のエネルギーに変換されることなく大気中に廃棄されている。このように我々人類は非常に多くの熱エネルギーを無駄に廃棄しており、化石エネルギーの燃焼等の行為から僅かなエネルギーしか獲得していない。エネルギーの得率を向上させるためには、大気中に廃棄されている熱エネルギーを利用できるようになれば良い。そのためには熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する熱電変換が有効な手段である。この熱電変換とはゼーベック効果を利用したものである。即ち熱電変換材料の両端で温度差をつけることで電位差を生じさせ、発電を行うエネルギー変換法である。この熱電発電では熱電変換材料の一端を廃熱により生じた高温部に、もう一端を大気中(室温)に配置しそれぞれの両端に外部抵抗を接続するだけで電気が得られ、一般の発電に必要なモーターやタービン等の可動装置は全く必要ない。そのためコストも安く、さらに燃焼等によるガスの排出も無く、熱電変換材料が劣化するまで継続的に発電を行うことができる。このように熱電発電は今後心配されるエネルギー問題の解決の一端を担うと期待されている。
In Japan, the effective energy yield from the primary supply energy is only about 30%, and about 70% of the energy is finally discarded as heat into the atmosphere. In addition, heat generated by combustion in factories and garbage incinerators is discarded into the atmosphere without being converted into other energy. In this way, we humans are wasting a great deal of heat energy and gaining little energy from actions such as burning fossil energy. In order to improve the energy yield, it is only necessary to be able to use the thermal energy discarded in the atmosphere. For this purpose, thermoelectric conversion that directly converts thermal energy into electrical energy is an effective means. This thermoelectric conversion uses the Seebeck effect. That is, it is an energy conversion method in which a potential difference is generated by creating a temperature difference at both ends of the thermoelectric conversion material to generate power. In this thermoelectric power generation, electricity can be obtained simply by placing one end of the thermoelectric conversion material in the high-temperature part generated by waste heat and the other end in the atmosphere (room temperature) and connecting external resistors to both ends. Necessary motors, turbines and other movable devices are not required at all. Therefore, the cost is low, there is no discharge of gas due to combustion, and power generation can be continuously performed until the thermoelectric conversion material deteriorates. In this way, thermoelectric power generation is expected to play a part in solving energy problems that are a concern in the future.

熱電発電を実現するためには高い熱電変換効率と耐熱性及び化学的耐久性の高い熱電変換材料が必要となる。近年、材料をナノ構造制御することにより、材料の熱電特性が飛躍的に向上する例が報告されている。これは、ナノ構造によりフォノンだけが選択的に散乱され、電気的特性を保ったまま熱伝導率だけが効果的に低減されることに起因している。例えば、Bi2Te3/Sb2Te3(下記非特許文献1参照)、PbTe-PbSe0.98Te0.02(下記非特許文献2参照)等の超格子薄膜や、Siの量子細線(下記非特許文献3、4等参照)などは、既存材料の2倍近い性能を達成するとされている。これらは、主に界面で平均自由行程の比較的大きなフォノンが散乱されることにより、熱伝導率が大幅に低減される効果によるものとされている。 In order to realize thermoelectric power generation, a thermoelectric conversion material with high thermoelectric conversion efficiency, heat resistance, and chemical durability is required. In recent years, examples have been reported in which the thermoelectric properties of a material are dramatically improved by controlling the nanostructure of the material. This is because only the phonons are selectively scattered by the nanostructure, and only the thermal conductivity is effectively reduced while maintaining the electrical characteristics. For example, superlattice thin films such as Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 (see Non-Patent Document 1 below), PbTe-PbSe 0.98 Te 0.02 (see Non-Patent Document 2 below), and Si quantum wires (Non-Patent Document 1 below) 3, 4, etc.) is said to achieve nearly twice the performance of existing materials. These are mainly due to the effect that the thermal conductivity is greatly reduced by scattering phonons having a relatively large mean free path at the interface.

しかしながら、上記した材料は合成法が複雑であり、高価な装置が必要となるなど、経済性や量産性に問題がある。また、実際の応用を考えたとき、薄膜状や細線状の材料では莫大な未利用エネルギーを回収して発電することは困難であり、バルク状、即ち、多結晶焼結体からなる材料が必要となる。   However, the above-mentioned materials have problems in economic efficiency and mass productivity, such as complicated synthesis methods and the need for expensive equipment. Also, considering the actual application, it is difficult to generate power by collecting a large amount of unused energy with thin film or thin wire materials, and a bulk material, that is, a material consisting of a polycrystalline sintered body is required. It becomes.

近年、ナノ構造制御されたバルク体の開発が行われつつあるが(例えば下記非特許文献5、6等参照)、いずれも毒性元素や希少元素を含む合金系の材料であり、大気中で安定に使用できず、高価であり、安全性などを考慮すると民生用として広く使用することができない。   In recent years, bulk structures with controlled nanostructures are being developed (see, for example, Non-Patent Documents 5 and 6 below), both of which are alloy-based materials containing toxic elements and rare elements, and are stable in the atmosphere. In view of safety and the like, it cannot be widely used for consumer use.

R. Venkatasubramanian et al., Nature, 413, 597 (2001).R. Venkatasubramanian et al., Nature, 413, 597 (2001). T. C. Harman et al., Science, 297, 2229 (2002).T. C. Harman et al., Science, 297, 2229 (2002). Allon I. Hochbaum et al., Nature, 451, 163 (2008).Allon I. Hochbaum et al., Nature, 451, 163 (2008). Akram I. Boukai et al., Nature, 451, 168 (2008).Akram I. Boukai et al., Nature, 451, 168 (2008). K. F. Hsu et al., Science, 303, 818 (2004).K. F. Hsu et al., Science, 303, 818 (2004). J. Androulakis et al., J. Am. Chem. Soc., 129, 9780 (2007).J. Androulakis et al., J. Am. Chem. Soc., 129, 9780 (2007).

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、P型熱電変換材料として優れた特性を有し、且つ高温の空気中でも使用可能な酸化物系の材料であって、環境調和性が良好で、経済性、量産性等にも優れた新規な材料を提供することである。 The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main object is to provide an oxide-based material that has excellent characteristics as a P-type thermoelectric conversion material and can be used even in high-temperature air. The object is to provide a new material which is excellent in environmental harmony and excellent in economic efficiency, mass productivity and the like.

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねきた。その結果、特定の組成を有するコバルト−マンガン含有複合酸化物からなる固溶体を、特定の温度域で熱処理することにより、自然相分離によって正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相からなる複合酸化物を形成でき、しかも、熱処理条件を調整することによって、各相の大きさを容易にナノオーダーに制御できることを見出した。そして、この様にして得られたナノ構造の複合酸化物は、高い正のゼーベック係数と良好な導電性を有し、且つ熱伝導率が低い材料であり、P型熱電変換材料として優れた性能を発揮できることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。   The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, a solid solution composed of a cobalt-manganese-containing composite oxide having a specific composition is heat-treated at a specific temperature range, so that a phase of a tetragonal spinel crystal structure and a cubic spinel crystal structure are obtained by natural phase separation. It has been found that a complex oxide composed of phases can be formed, and that the size of each phase can be easily controlled to the nano order by adjusting the heat treatment conditions. The nanostructured composite oxide thus obtained is a material having a high positive Seebeck coefficient and good conductivity and low thermal conductivity, and excellent performance as a P-type thermoelectric conversion material. The present invention has been completed here.

即ち、本発明は、下記のコバルト−マンガン系複合酸化物、該複合酸化物の製造方法、及び該複合酸化物の用途を提供するものである。
1.下記(1)〜(3)の条件を満足することを特徴とするコバルト−マンガン系複合酸化物:
(1)組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される平均組成を有すること、
(2)正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離していること、
(3)正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の少なくとも一方の相は、最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあること。
2. 平均組成と比較して、Mn比が高い正方晶スピネル型結晶構造の相と、Co比が高い立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離していることを特徴とする、上記項1に記載のコバルト−マンガン系複合酸化物。
3. 組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される複合酸化物の固溶体を、二相分離が生じる温度域で熱処理することを特徴とする、上記項1又は2に記載のコバルト−マンガン系複合酸化物の製造方法。
4. 上記項1又は2に記載のコバルト−マンガン系複合酸化物からなるP型熱電変換材料。
5. 上記項4に記載のP型熱電変換材料を含む熱電変換モジュール。
That is, the present invention provides the following cobalt-manganese composite oxide, a method for producing the composite oxide, and uses of the composite oxide.
1. Cobalt-manganese complex oxide satisfying the following conditions (1) to (3):
(1) Composition formula: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are numbers satisfying 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively). Having an average composition represented by:
(2) phase separation into a tetragonal spinel crystal structure phase and a cubic spinel crystal structure phase;
(3) The length of the shortest part of at least one of the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase is in the range of 1 nm to 400 nm.
2. Item 2. The phase according to Item 1, wherein the phase is separated into a phase of a tetragonal spinel type crystal structure having a high Mn ratio and a phase of a cubic spinel type crystal structure having a high Co ratio compared to the average composition. Cobalt-manganese complex oxide.
3. Composition formula: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are numbers satisfying 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively). 3. The method for producing a cobalt-manganese composite oxide according to item 1 or 2, wherein a solid solution of the composite oxide is heat-treated in a temperature range where two-phase separation occurs.
4). A P-type thermoelectric conversion material comprising the cobalt-manganese composite oxide according to Item 1 or 2.
5). A thermoelectric conversion module comprising the P-type thermoelectric conversion material according to Item 4.

以下、まず、本発明のコバルト−マンガン系複合酸化物及びその製造方法について具体的に説明する。   Hereinafter, first, the cobalt-manganese composite oxide of the present invention and the production method thereof will be specifically described.

コバルト−マンガン系複合酸化物
本発明のコバルト−マンガン系複合酸化物は、下記(1)〜(3)の条件を満足するものである:
(1)組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される平均組成を有すること、
(2)正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離してい
ること、
(3)正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の少なくとも一方の相は、最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあること。
Cobalt-manganese complex oxide The cobalt-manganese complex oxide of the present invention satisfies the following conditions (1) to (3):
(1) Composition formula: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are numbers satisfying 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively). Having an average composition represented by:
(2) phase separation into a tetragonal spinel crystal structure phase and a cubic spinel crystal structure phase;
(3) The length of the shortest part of at least one of the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase is in the range of 1 nm to 400 nm.

上記した通り、本発明の複合酸化物は、組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される平均組成を有するコバルト−マンガン含有複合酸化物であって、正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離し、且つ、正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の少なくとも一方の相は、最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあるというナノ構造を有する複合酸化物である。 As described above, the composite oxide of the present invention has a composition formula: Co 3-x Mn x O y (where x and y are 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4, respectively). 2 is a cobalt-manganese-containing composite oxide having an average composition expressed by the following formula, and phase-separated into a phase of a tetragonal spinel crystal structure and a phase of a cubic spinel crystal structure: In addition, at least one of the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase is a composite oxide having a nanostructure in which the length of the shortest portion is in the range of 1 nm to 400 nm. is there.

この様なナノ構造の複合酸化物は、上記組成式:Co3‐xMnで表される平均組成を有することによって、高い正のゼーベック係数と良好な導電性を有するものとなる。また、正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離し、且つ、正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の少なくとも一方の相については、最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあることによって、非常に低い熱伝導率を有するものとなる。これは、本発明の複合酸化物が、ナノオーダーで二相に分離していることによって、相間の界面密度が高くなり、フォノンが相界面で効果的に散乱されることに起因して、熱伝導率が大きく低減されることによるものと推定される。 Composite oxides of such nanostructures, the composition formula: by having an average composition represented by Co 3-x Mn x O y , comes to have a high positive Seebeck coefficient and good conductivity. Also, phase separation into a tetragonal spinel crystal structure phase and a cubic spinel crystal structure phase, and at least one of a tetragonal spinel crystal structure phase and a cubic spinel crystal structure phase Has a very low thermal conductivity when the length of the shortest portion is in the range of 1 nm to 400 nm. This is because the composite oxide of the present invention is separated into two phases on the nano order, so that the interfacial density between the phases increases, and phonons are effectively scattered at the phase interface. It is estimated that the conductivity is greatly reduced.

尚、上記した複合酸化物の平均組成とは、正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の各相を構成する複合酸化物の組成と各相の比率に基づいて、平均として求めた酸化物の組成であり、該複合酸化物の前駆体となる複合酸化物固溶体の組成に一致するものである。   The average composition of the composite oxide described above is based on the composition of the composite oxide constituting each phase of the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase and the ratio of each phase. It is the composition of the oxide determined as an average, and is consistent with the composition of the complex oxide solid solution that is the precursor of the complex oxide.

本発明では、正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相については、相間の界面密度が高いことが重要であり、各相の具体的な形状については特に限定はない。例えば、それぞれの相がロッド状で市松模様に交互に配列した構造、板状の2相が交互に積層した構造、一方の相がマトリックスとなり、その中にリボン状の第二の相が広がった構造等の任意の構造の複合酸化物とすることができる。これらの場合において、少なくとも一方の相の最短部の長さが、1nm〜400nmの範囲内にあればよく、特に、1nm〜50nmの範囲内にあることが好ましい。この場合、各相の最短部の長さとは、各相の外形の内で、最も短い部分の長さであり、例えば、それぞれの相がロッド状で存在する場合には、少なくとも一方のロッド状の相の短径が1nm〜400nmの範囲内にあればよい。また、板状の2相が交互に積層した構造となる場合には、少なくとも一方の板状の相の厚さが1nm〜400nmの範囲内にあればよい。また、一方の相がマトリックスとなり、その中にリボン状の第二の相が広がった構造となる場合には、リボン状の相の厚さが1nm〜400nmの範囲内にあればよい。   In the present invention, for the phase of the tetragonal spinel crystal structure and the phase of the cubic spinel crystal structure, it is important that the interface density between the phases is high, and the specific shape of each phase is not particularly limited. . For example, a structure in which each phase is rod-like and arranged alternately in a checkered pattern, a structure in which two plate-like phases are alternately laminated, one phase becomes a matrix, and a ribbon-like second phase spreads in it It can be set as the complex oxide of arbitrary structures, such as a structure. In these cases, the length of the shortest part of at least one phase may be in the range of 1 nm to 400 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 50 nm. In this case, the length of the shortest portion of each phase is the length of the shortest portion of the outer shape of each phase. For example, when each phase exists in a rod shape, at least one of the rod shapes It suffices if the minor axis of the phase is in the range of 1 nm to 400 nm. Moreover, when it becomes the structure which laminated | stacked two plate-shaped phases alternately, the thickness of at least one plate-shaped phase should just exist in the range of 1 nm-400 nm. Further, when one phase becomes a matrix and a ribbon-like second phase spreads therein, the thickness of the ribbon-like phase may be in the range of 1 nm to 400 nm.

本発明では、特に、正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の両相について、最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあることが好ましい。   In the present invention, it is particularly preferable that the length of the shortest part is in the range of 1 nm to 400 nm for both the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase.

正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の各相の組成については、上記した平均組成を示す組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される複合酸化物について、スピノーダル分解による相分離が生じているとして、相図から求めることができる。即ち、正方晶スピネル型結晶構造の相は、平均組成と比較して、Mnの比率が高い相であり、組成式:Co3‐aMn(式中、a及びbは、それぞれ1.3≦a≦3及び3.8≦b≦4.2を満たす数である。)で表されるものとなり、立方晶スピネル
型結晶構造の相は、平均組成と比較して、Coの比率が高い相であり、組成式:Co3‐cMn(式中、c及びdは、それぞれ0≦c≦1.9及び3.8≦d≦4.2を満たす数である。)で表されるものとなる。これらの各相の組成は、後述する実施例1の結果とよく一致するものである。
Regarding the composition of each phase of the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase, the composition formula showing the above average composition: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are , 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively)), assuming that phase separation due to spinodal decomposition occurs. Can be obtained from That is, the phase of the tetragonal spinel crystal structure is a phase having a higher Mn ratio than the average composition, and the composition formula: Co 3-a Mn a O b (where a and b are each 1 3 ≦ a ≦ 3 and 3.8 ≦ b ≦ 4.2.), And the phase of the cubic spinel crystal structure has a Co ratio compared to the average composition. Is a high phase and has the composition formula: Co 3-c Mn c O d (where c and d are numbers satisfying 0 ≦ c ≦ 1.9 and 3.8 ≦ d ≦ 4.2, respectively). ). The composition of each of these phases is in good agreement with the results of Example 1 described later.

複合酸化物の製造方法
(i)ナノ構造複合酸化物の製造方法
上記したナノ構造を有する複合酸化物は、組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される複合酸化物の固溶体を、二相分離が生じる温度域で熱処理することによって得ることができる。
Complex oxide having a manufacturing method above nanostructures manufacturing method (i) nanostructured composite oxide composite oxide, the composition formula: Co 3-x Mn x O y ( wherein, x and y are each 0 .. 9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2.) By obtaining a solid solution of the composite oxide represented by the above in a temperature range where two-phase separation occurs. Can do.

熱処理温度については複合酸化物の固溶体の組成によって異なるが、該固溶体の溶融温度を下回る温度であって、二相に相分離する温度範囲とすればよい。具体的な熱処理温度については、具体的な複合酸化物固溶体の組成に応じて、均一な固溶体が形成される温度領域(混和領域)と相分離が生じる温度領域(不混和領域)の境界温度以下の相分離が生じる温度領域とすればよく、通常は、1200〜200℃程度の範囲内となる。この様な温度範囲内で熱処理を行うことによって、スピノーダル分解によると思われる相分離が生じて、目的とするナノ構造の複合酸化物を得ることができる。   The heat treatment temperature varies depending on the composition of the solid solution of the complex oxide, but may be a temperature lower than the melting temperature of the solid solution and a temperature range in which phase separation into two phases occurs. The specific heat treatment temperature is below the boundary temperature between the temperature region where the uniform solid solution is formed (mixing region) and the temperature region where the phase separation occurs (immiscible region) depending on the specific composition of the complex oxide solid solution. The temperature may be in the temperature range where phase separation occurs, and is usually in the range of about 1200 to 200 ° C. By performing the heat treatment within such a temperature range, phase separation that appears to be caused by spinodal decomposition occurs, and a target nanostructured composite oxide can be obtained.

上記した相分離が生じる温度範囲において、熱処理温度が高い場合には、比較的短時間で相分離が生じるが、熱処理時間が長くなると各相が成長して、ナノ構造の複合酸化物を得ることができない。また、熱処理温度が低い場合には、相分離に長時間を要するために、製造効率が非常に悪くなる。通常は、1200〜200℃程度の温度範囲内において、少なくとも一相の最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあるナノ構造の複合酸化物が形成されるように熱処理時間を決めればよく、例えば、1〜5000時間程度の範囲内とすればよい。また、熱処理温度は一定でなくてもよく、例えば、100K/時間〜0.1K/時間程度の降温速度で、相分離の生じる温度範囲内で徐々に降温してもよい。熱処理の雰囲気は、例えば、大気中などの酸素含雰囲気とすればよいが、特にこれに限定されるものではない。   When the heat treatment temperature is high in the above-described temperature range where phase separation occurs, phase separation occurs in a relatively short time, but when the heat treatment time becomes long, each phase grows to obtain a nanostructured composite oxide. I can't. In addition, when the heat treatment temperature is low, the production efficiency is very poor because the phase separation takes a long time. Usually, the heat treatment time may be determined so that a nanostructured complex oxide in which the length of the shortest part of at least one phase is in the range of 1 nm to 400 nm is formed within a temperature range of about 1200 to 200 ° C. For example, it may be within a range of about 1 to 5000 hours. Further, the heat treatment temperature may not be constant, and for example, the temperature may be gradually lowered within a temperature range where phase separation occurs at a temperature lowering rate of about 100 K / hour to 0.1 K / hour. The heat treatment atmosphere may be, for example, an oxygen-containing atmosphere such as the air, but is not particularly limited thereto.

(ii)前駆体(均一固溶体)の製造方法
上記した方法で相分離を行う際に、出発材料(前駆体)として用いる組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される複合酸化物の固溶体は、目的とする複合酸化物の元素成分比率と同様の元素成分比率となるように原料物質を混合し、均一固溶体が形成される温度範囲で熱処理することによって得ることができる。
(Ii) Method for Producing Precursor (Uniform Solid Solution) Composition formula used as starting material (precursor) when phase separation is performed by the above-described method: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are The composite oxide solid solution represented by 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively, represents the element component ratio of the target composite oxide. It can be obtained by mixing raw materials so as to have the same elemental component ratio and heat-treating in a temperature range where a uniform solid solution is formed.

原料物質としては、焼成により酸化物を形成し得るものであれば特に限定されず、元素単体、酸化物、各種化合物(炭酸塩等)等を使用できる。例えば、Co源としては、コバルト(Co)、酸化コバルト(CoO、Co、Co)、炭酸コバルト(CoCO)、硝酸コバルト(Co(NO)、水酸化コバルト(Co(OH))、塩化コバルト(CoCl)、アルコキシド化合物(ジプロポキシコバルト(Co(OCなど)等を使用でき、マンガン源としては、マンガン(Mn)、酸化マンガン(Mn)、炭酸マンガン(MnCO)等を使用できる。また、原料粉末の粒径については特に限定されない。 The raw material is not particularly limited as long as it can form an oxide by firing, and elemental elements, oxides, various compounds (such as carbonates) and the like can be used. For example, Co sources include cobalt (Co), cobalt oxide (CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 ), cobalt carbonate (CoCO 3 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt hydroxide ( Co (OH) 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), alkoxide compounds (such as dipropoxy cobalt (Co (OC 3 H 7 ) 2 ), etc.) can be used, and manganese sources include manganese (Mn), manganese oxide (Mn 2 O 3 ), manganese carbonate (MnCO 3 ), etc. The particle size of the raw material powder is not particularly limited.

上記した原料物質は、遊星型ボールミル、ポットミル等任意の混合手段によって、均一に混合した後、電気加熱炉、ガス加熱炉、ホットプレス炉、放電プラズマ焼結炉等の任意の加熱手段によって、焼成すればよい。   The above raw materials are uniformly mixed by any mixing means such as a planetary ball mill or pot mill, and then fired by any heating means such as an electric heating furnace, a gas heating furnace, a hot press furnace, or a discharge plasma sintering furnace. do it.

焼成温度については、目的とする固溶体が形成される条件とすれば良く、相図上で前記固溶体が安定である温度域(混和領域)であればよい。具体的な焼成温度については、前記固溶体の組成や粒径の大きさ等によって異なるが、例えば、1200〜1500℃程度の温度範囲となる。また、焼成時間についても目的とする固溶体が均一な相として生成される程度の時間とすれば良く、特に限定されないが、例えば10〜20時間とすれば良い。焼成雰囲気は、例えば、大気中などの酸素含雰囲気とすればよいが、特にこれに限定されるものではない。   The firing temperature may be a condition under which a target solid solution is formed, and may be a temperature range (mixing region) where the solid solution is stable on the phase diagram. The specific firing temperature varies depending on the composition of the solid solution, the size of the particle size, and the like, but is, for example, a temperature range of about 1200 to 1500 ° C. Further, the firing time may be set to a time at which the target solid solution is generated as a uniform phase, and is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 20 hours. The firing atmosphere may be, for example, an oxygen-containing atmosphere such as the air, but is not particularly limited thereto.

上記した方法で得られる固溶体は、相図上の混和領域である高温でのみ安定であるため、これを混和領域から急冷(クエンチ)することによって、二相分離が生じる温度域(不混和領域)において、固溶体として存在させることが必要である。この場合、混和領域から室温まで急冷して均一組成の固溶体とした後、二相分離が生じる温度域まで加熱してもよく、或いは、混和領域から二相分離が生じる温度域まで急冷して、この温度域において、均一組成の固溶体としてもよい。   The solid solution obtained by the above method is stable only at a high temperature, which is the mixing region on the phase diagram. Therefore, by quenching this from the mixing region, the temperature range where two-phase separation occurs (immiscible region) In this case, it is necessary to exist as a solid solution. In this case, after quenching from the mixing region to room temperature to obtain a solid solution with a uniform composition, it may be heated to a temperature range where two-phase separation occurs, or rapidly cooled from the mixing region to a temperature region where two-phase separation occurs, In this temperature range, it may be a solid solution having a uniform composition.

急冷方法については、特に限定はなく、水冷、空冷、氷冷などの任意の手段を採用できる。   The rapid cooling method is not particularly limited, and any means such as water cooling, air cooling, and ice cooling can be employed.

急冷速度について特に限定はなく、室温又は二相分離が生じる温度域において、安定な均一固溶体が形成されるような急冷速度とすればよい。   There is no particular limitation on the quenching rate, and the quenching rate may be set so that a stable uniform solid solution is formed at room temperature or in a temperature range where two-phase separation occurs.

焼成雰囲気は、例えば、大気中などの酸素含雰囲気とすればよいが、特にこれに限定されるものではない。   The firing atmosphere may be, for example, an oxygen-containing atmosphere such as the air, but is not particularly limited thereto.

複合酸化物の特性
本発明のナノ構造を有する複合酸化物は、低い熱伝導率を有するものであり、ナノ構造の相分離を生じていない同一組成の複合酸化物と比較すると、熱伝導率が非常に小さく、例えば500℃以上の温度では、5W/mK 以下という非常に低い熱伝導率を有するものである。
Characteristics of the composite oxide The composite oxide having a nanostructure of the present invention has a low thermal conductivity, and the thermal conductivity is lower than that of a composite oxide having the same composition that does not cause phase separation of the nanostructure. For example, at a temperature of 500 ° C. or higher, it has a very low thermal conductivity of 5 W / mK or less.

更に、該複合酸化物は、低い電気抵抗率を有する電気伝導性に優れた材料であり、具体的には、500℃以上において、10Ωcm以下の電気抵抗率を有するものである。また、該複合酸化物は、高い正のゼーベック係数を有するものであり、具体的には、500℃以上において、10μV/K以上のゼーベック係数を有し、P型熱電変換材料として優れた
性能を有する材料である。
Furthermore, the composite oxide is a material having a low electrical resistivity and excellent electrical conductivity, and specifically has an electrical resistivity of 10 Ωcm or less at 500 ° C. or higher. Further, the composite oxide has a high positive Seebeck coefficient. Specifically, the composite oxide has a Seebeck coefficient of 10 μV / K or more at 500 ° C. or more, and has excellent performance as a P-type thermoelectric conversion material. Material.

以上の通り、本発明の複合酸化物は、正のゼーベック係数を有し、且つ良好な電気伝導性を有する物質であって、低い熱伝導率を有するものである。更に、該複合酸化物は、毒性元素や希少元素も含まず、耐熱性、化学的耐久性等にも優れた材料である。本発明の複合酸化物は、この様な特性を利用して、空気中において高温で用いるP型熱電変換材料として有効に利用することができる。   As described above, the composite oxide of the present invention is a substance having a positive Seebeck coefficient and good electrical conductivity and having a low thermal conductivity. Furthermore, the composite oxide is a material that does not contain toxic elements or rare elements and is excellent in heat resistance, chemical durability, and the like. The composite oxide of the present invention can be effectively used as a P-type thermoelectric conversion material used at a high temperature in the air using such characteristics.

図7は、本発明の複合酸化物からなる熱電変換材料をP型熱電変換素子として用いた熱電発電モジュールの一例の模式図である。該熱電発電モジュールの構造は、公知の熱電発電モジュールと同様であり、高温部用基板、低温部用基板、P型熱電変換材料、N型熱電変換材料、電極、導線等により構成される熱電発電モジュールであり、本発明の複合酸化物はP型熱電変換材料として使用される。   FIG. 7 is a schematic diagram of an example of a thermoelectric power generation module using a thermoelectric conversion material made of the composite oxide of the present invention as a P-type thermoelectric conversion element. The structure of the thermoelectric power generation module is the same as that of a known thermoelectric power generation module, and is composed of a high-temperature part substrate, a low-temperature part substrate, a P-type thermoelectric conversion material, an N-type thermoelectric conversion material, an electrode, a conductor, and the like. This is a module, and the composite oxide of the present invention is used as a P-type thermoelectric conversion material.

本発明の複合酸化物は、ナノ構造を有する酸化物の複合体であり、低い熱伝導率と、高い電気伝導率、及び高い正のゼーベック係数を有する材料である。   The composite oxide of the present invention is a composite of oxides having a nanostructure, and is a material having low thermal conductivity, high electrical conductivity, and a high positive Seebeck coefficient.

また、本発明の製造方法によれば、高価な装置や複雑なプロセスを要することなく、自然相分離を利用して、非常に安価で簡便なプロセスにより、上記した優れた性能を有する複合酸化物を得ることができ、大容量の発電に適したバルク体も容易に得ることができる。   In addition, according to the production method of the present invention, a complex oxide having the above-described excellent performance can be obtained by using a natural phase separation without using an expensive apparatus or a complicated process and by a very inexpensive and simple process. And a bulk body suitable for large-capacity power generation can be easily obtained.

従って、本発明の複合酸化物をP型熱電変換材料として用いることによって、高性能を有する酸化物熱電発電モジュールを実現でき、これまで大気中に廃棄されていた熱エネルギーを有効に利用することが可能になる。   Therefore, by using the composite oxide of the present invention as a P-type thermoelectric conversion material, an oxide thermoelectric power generation module having high performance can be realized, and thermal energy that has been discarded in the atmosphere can be effectively used so far. It becomes possible.

実施例1の複合酸化物及びその前駆体(均一固溶体)のX線回折パターンである。2 is an X-ray diffraction pattern of the composite oxide of Example 1 and its precursor (homogeneous solid solution). 実施例1の複合酸化物の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of the composite oxide of Example 1. 比較例1の酸化物の走査型電子顕微鏡写真である。4 is a scanning electron micrograph of the oxide of Comparative Example 1. 実施例1の複合酸化物と比較例1の酸化物の熱伝導率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the thermal conductivity of the complex oxide of Example 1 and the oxide of Comparative Example 1. 実施例1で得られた複合酸化物の電気抵抗率の温度依存性を示すグラフである。4 is a graph showing the temperature dependence of the electrical resistivity of the composite oxide obtained in Example 1. 実施例1で得られた複合酸化物のゼーベック係数の温度依存性を示すグラフである。4 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the composite oxide obtained in Example 1. 本発明複合酸化物をP型熱電変換材料として用いた熱電変換モジュールの模式図である。It is a schematic diagram of the thermoelectric conversion module which used this invention complex oxide as a P-type thermoelectric conversion material. 実施例2の複合酸化物の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of the composite oxide of Example 2. 実施例3の複合酸化物の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of the composite oxide of Example 3.

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

実施例1
CoとMnOを前者1モルに対して、後者3モルとなるよう秤量後、遊星型ボールミルにより混合した。次いで、混合した試料を950℃で12時間仮焼し、仮焼後の生成物を乳鉢で粉砕・混合し、均一固溶体の生成温度域である1150℃で12時間焼成する操作を2回繰り返すことにより相を均一なものとした。
Example 1
Co 3 O 4 and MnO 2 were weighed so as to be 3 mol of the latter with respect to 1 mol of the former, and then mixed by a planetary ball mill. Next, the mixed sample is calcined at 950 ° C. for 12 hours, the calcined product is pulverized and mixed in a mortar, and the operation is repeated twice at 1150 ° C., which is the production temperature range of the uniform solid solution, for 2 hours. To make the phase uniform.

次いで、得られた粉末を、物性試験に使用できる高密度の焼結体とするためにカーボンダイスに充填し、放電プラズマ焼結により、100MPaで一軸加圧しながら1000℃で1分保持することで、直径1.5−2cm、高さ0.1−1cmの緻密なペレット状に成型した。その後、得られたペレットを、電気炉にて均一固溶体の生成温度域である1150℃で5時間空気中で熱処理した後、二相分離温度域である600℃まで30分で降温して、均一固溶体の状態のままで二相分離温度領域まで冷却した。この状態の固溶体は、組成式:Co1.5Mn1.5で表されるものである。 Next, in order to make the obtained powder into a high-density sintered body that can be used for physical property tests, it is filled in a carbon die and held at 1000 ° C. for 1 minute while uniaxially pressing at 100 MPa by discharge plasma sintering. It was molded into a dense pellet with a diameter of 1.5-2 cm and a height of 0.1-1 cm. Thereafter, the obtained pellets were heat-treated in air at 1150 ° C., which is a uniform solid solution generation temperature range, for 5 hours in an electric furnace, and then cooled to 600 ° C., which is a two-phase separation temperature range, in 30 minutes. It cooled to the two-phase-separation temperature area | region with the state of the solid solution. The solid solution in this state is represented by the composition formula: Co 1.5 Mn 1.5 O 4 .

次いで、600℃〜20℃までの温度域を50K/hの速度で降温することによって、相分離を生じさせた。得られた試料のX線回折パターンを図1に示す。また、1150℃で焼成した焼結体を空気中で室温まで放冷(クエンチ)した場合の試料のX線回折パターンも図1に示す。   Next, phase separation was caused by lowering the temperature range from 600 ° C. to 20 ° C. at a rate of 50 K / h. The X-ray diffraction pattern of the obtained sample is shown in FIG. Moreover, the X-ray-diffraction pattern of the sample at the time of standing to cool (quenching) the sintered compact baked at 1150 degreeC in air to room temperature is also shown in FIG.

図1に示すX線回折ピークから、1150℃から室温まで放冷(クエンチ)した試料は、正方晶の単相からなる焼結体(固溶体)であるのに対して、二相分離温度域で50K/hの降温速度で徐冷した実施例1の試料では、結晶構造に変化が生じていることが確認できる。後述する各相の組成分析から、この結晶構造の変化は、急冷した試料の正方晶とは異なる別の正方晶と立方晶に相分離したものであると判断できる。更に、600℃〜20℃の温度域での降温速度を7K/hとして、各相をより成長させてX線回折パターンを測定した結果からも、上記組成の固溶体は、正方晶と立方晶に相分離することが確認できた。   From the X-ray diffraction peak shown in FIG. 1, the sample that was allowed to cool (quenched) from 1150 ° C. to room temperature is a sintered body (solid solution) composed of a single phase of tetragonal crystal, whereas in the two-phase separation temperature range. In the sample of Example 1 that was gradually cooled at a temperature drop rate of 50 K / h, it can be confirmed that the crystal structure has changed. From the composition analysis of each phase described later, it can be determined that this change in crystal structure is a phase separation into another tetragonal crystal and cubic crystal different from the tetragonal crystal of the rapidly cooled sample. Furthermore, from the result of measuring the X-ray diffraction pattern by further growing each phase by setting the temperature drop rate in the temperature range of 600 ° C. to 20 ° C. to 7 K / h, the solid solution having the above composition is formed into tetragonal crystals and cubic crystals. It was confirmed that the phases were separated.

図2に、実施例1の試料について、透過型電子顕微鏡写真を示す。図2から、実施例1の試料は、2相が5〜10nmの相間隔で市松模様状に配列していることが確認できた。この2相の内の一方の相は、最短部の長さが約2nmであった。   FIG. 2 shows a transmission electron micrograph of the sample of Example 1. From FIG. 2, it was confirmed that in the sample of Example 1, the two phases were arranged in a checkered pattern with a phase interval of 5 to 10 nm. One of the two phases had a minimum length of about 2 nm.

また、エネルギー分散型X線分光法による組成分析の結果、生成した二相の組成は、それぞれ、Co1.1Mn1.9とCo1.7Mn1.3であることが確認できた。この組成は、上記した固溶体:Co1.5Mn1.5が正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相にスピノーダル分解して生じたとして求めた組成によく一致するものである。 Moreover, as a result of the compositional analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy, the compositions of the two phases produced are Co 1.1 Mn 1.9 O 4 and Co 1.7 Mn 1.3 O 4 , respectively. It could be confirmed. This composition is well suited to the composition obtained as a result of spinodal decomposition of the solid solution: Co 1.5 Mn 1.5 O 4 described above into a tetragonal spinel crystal structure phase and a cubic spinel crystal structure phase. It matches.

また、図3には、600℃〜20℃までの温度域を3K/hの速度で降温して得られた試料についての走査型電子顕微鏡写真を示す。図3から明らかなように、降温速度を遅くして、相分離温度域に長時間保持する場合には、相分離が生じるものの、各相が成長して、二相が1〜5μm程度の相間隔で配列した複合酸化物が得られることが判る。この試料を比較例1の試料とする。   FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a sample obtained by lowering the temperature range from 600 ° C. to 20 ° C. at a rate of 3 K / h. As is clear from FIG. 3, when the temperature drop rate is slowed down and kept in the phase separation temperature range for a long time, although phase separation occurs, each phase grows and the two phases are about 1 to 5 μm. It can be seen that composite oxides arranged at intervals can be obtained. This sample is referred to as the sample of Comparative Example 1.

図4に、上記した方法で得られた実施例1の試料と比較例1の試料について、50〜700℃における熱伝導率(κ)の温度依存性を示すグラフを示す。このグラフから、50〜700℃の温度範囲において、実施例1の試料は、比較例1の試料と比較して、低い熱伝導率を示すことが明らかである。
また、図5は、実施例1の試料の電気抵抗率(ρ)の温度依存性を示すグラフである。このグラフから明らかなように、実施例1の試料は、500℃以上において、10Ωcm以下の電気抵抗率を示し、良好な導電性を有することが確認できる。
図6は、実施例1のゼーベック係数(S)の温度依存性を示すグラフである。このグラフから、実施例1の試料は、500℃以上において、10μV/K以上の正のゼーベック係数
を有することが確認できる。
FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the thermal conductivity (κ) at 50 to 700 ° C. for the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 1 obtained by the method described above. From this graph, it is clear that in the temperature range of 50 to 700 ° C., the sample of Example 1 exhibits lower thermal conductivity than the sample of Comparative Example 1.
FIG. 5 is a graph showing the temperature dependence of the electrical resistivity (ρ) of the sample of Example 1. As is apparent from this graph, the sample of Example 1 exhibits an electrical resistivity of 10 Ωcm or less at 500 ° C. or higher, and it can be confirmed that the sample has good conductivity.
FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient (S) of Example 1. From this graph, it can be confirmed that the sample of Example 1 has a positive Seebeck coefficient of 10 μV / K or more at 500 ° C. or more.

実施例1で得られた試料について、500℃での熱伝導率、500℃での電気抵抗率及び500℃でのゼーベック係数の測定結果を下記表1に示す。   Table 1 below shows the measurement results of the thermal conductivity at 500 ° C., the electrical resistivity at 500 ° C., and the Seebeck coefficient at 500 ° C. for the sample obtained in Example 1.

以上の結果から、ナノオーダーで二相分離した構造を有する実施例1の複合酸化物は、高い正のゼーベック係数と良好な導電性を有し、且つ、熱伝導率の低い材料であり、P型熱電変換材料として有用な材料であることが明らかである。   From the above results, the composite oxide of Example 1 having a structure separated into two phases on the nano order is a material having a high positive Seebeck coefficient and good conductivity, and having a low thermal conductivity, and P It is clear that the material is useful as a type thermoelectric conversion material.

実施例2
CoとMnOを前者1モルに対して、後者7モルの比率となるように使用する以外は実施例1と同様にして、組成式:Co0.9Mn2.1で表される均一固溶体を作製した。
Example 2
In the same manner as in Example 1 except that Co 3 O 4 and MnO 2 are used in a ratio of 7 moles to the former 1 mole, the composition formula: Co 0.9 Mn 2.1 O 4 A uniform solid solution represented was produced.

その後、600℃〜20℃までの温度域を25K/hの速度で降温する以外は実施例1と同様にして、相分離を生じさせた。得られた試料の透過型電子顕微鏡写真を図8に示す
。図8から明らかなように、実施例2の試料は、板状の2相が交互に5〜20nmの相間隔で市松模様状に配列していることが確認でき、一方の相の最短部の長さは、約4nmであった。
Thereafter, phase separation was caused in the same manner as in Example 1 except that the temperature range from 600 ° C. to 20 ° C. was lowered at a rate of 25 K / h. A transmission electron micrograph of the obtained sample is shown in FIG. As is clear from FIG. 8, in the sample of Example 2, it can be confirmed that two plate-like phases are alternately arranged in a checkered pattern with a phase interval of 5 to 20 nm, and the shortest part of one phase The length was about 4 nm.

また、実施例2で得られた試料は、実施例1の試料に類似したX線回折ピークを有するものであり、同じ組成の焼結体(固溶体)を1150℃から室温まで放冷(クエンチ)して得られた正方晶の単相からなる試料のX線回折ピークと比較すると、結晶構造に変化が生じていることが確認できた。600℃〜20℃の温度域での降温速度を7K/hとして、各相をより成長させてX線回折パターンを測定した結果から、実施例2の試料の各相は、正方晶と立方晶であることが確認できた。   The sample obtained in Example 2 has an X-ray diffraction peak similar to that of the sample of Example 1, and a sintered body (solid solution) having the same composition is allowed to cool from 1150 ° C. to room temperature (quenched). As compared with the X-ray diffraction peak of the tetragonal single phase sample obtained in this way, it was confirmed that the crystal structure had changed. From the result of measuring the X-ray diffraction pattern by further growing each phase at a temperature drop rate in the temperature range of 600 ° C. to 20 ° C. at 7 K / h, each phase of the sample of Example 2 is tetragonal and cubic. It was confirmed that.

実施例2で得られた試料について、500℃での熱伝導率、500℃での電気抵抗率及び500℃でのゼーベック係数の測定結果を下記表1に示す。   Table 1 below shows the measurement results of the thermal conductivity at 500 ° C., the electrical resistivity at 500 ° C., and the Seebeck coefficient at 500 ° C. for the sample obtained in Example 2.

実施例3
CoとMnOを前者1モルに対して、後者9/7モルの比率となるように使用する以外は、実施例1と同様にして、組成式:Co2.1Mn0.9で表される均一固溶体を作製した。
Example 3
Except that Co 3 O 4 and MnO 2 are used in a ratio of 9/7 mol with respect to the former 1 mol, the composition formula: Co 2.1 Mn 0.9 is the same as in Example 1. A uniform solid solution represented by O 4 was prepared.

その後、600℃〜20℃までの温度域を25K/hの速度で降温すること以外は実施例1と同様にして、相分離を生じさせた。得られた試料の透過型電子顕微鏡写真を図9に示す。図9から明らかなように、実施例3の試料は、板状の2相が交互に5〜40nmの相間隔で市松模様状に配列していることが確認でき、一方の相の最短部の長さは、約5nmであった。   Thereafter, phase separation was caused in the same manner as in Example 1 except that the temperature range from 600 ° C. to 20 ° C. was lowered at a rate of 25 K / h. A transmission electron micrograph of the obtained sample is shown in FIG. As is clear from FIG. 9, in the sample of Example 3, it can be confirmed that two plate-like phases are alternately arranged in a checkered pattern at a phase interval of 5 to 40 nm, and the shortest part of one phase is The length was about 5 nm.

また、実施例3で得られた試料は、実施例1の試料に類似したX線回折ピークを有するものであり、同じ組成の焼結体(固溶体)を1150℃から室温まで放冷(クエンチ)して得られた正方晶の単相からなる試料のX線回折ピークと比較すると、結晶構造に変化が生じていることが確認できた。600℃〜20℃の温度域での降温速度を7K/hとして、各相をより成長させてX線回折パターンを測定した結果から、実施例3の試料の各相は、正方晶と立方晶であることが確認できた。   Moreover, the sample obtained in Example 3 has an X-ray diffraction peak similar to that of the sample of Example 1, and a sintered body (solid solution) having the same composition is allowed to cool from 1150 ° C. to room temperature (quenched). As compared with the X-ray diffraction peak of the tetragonal single phase sample obtained in this way, it was confirmed that the crystal structure had changed. From the result of measuring the X-ray diffraction pattern by further growing each phase by setting the temperature drop rate in the temperature range of 600 ° C. to 20 ° C. to 7 K / h, each phase of the sample of Example 3 is tetragonal and cubic. It was confirmed that.

実施例3で得られた試料について、500℃での熱伝導率、500℃での電気抵抗率及び500℃でのゼーベック係数の測定結果を下記表1に示す。   Table 1 below shows the measurement results of the thermal conductivity at 500 ° C., the electrical resistivity at 500 ° C., and the Seebeck coefficient at 500 ° C. for the sample obtained in Example 3.

Figure 2010228927
Figure 2010228927

表1から明らかな様に、実施例1〜3の各試料は、ナノオーダーで二相分離した構造を有するものであり、高い正のゼーベック係数と良好な導電性を有し、且つ、熱伝導率の低い材料であり、P型熱電変換材料として有用な材料であることが明らかである。 As is apparent from Table 1, each of the samples of Examples 1 to 3 has a structure in which two phases are separated in nano order, has a high positive Seebeck coefficient and good conductivity, and heat conduction. It is a material with a low rate and is clearly a useful material as a P-type thermoelectric conversion material.

Claims (5)

下記(1)〜(3)の条件を満足することを特徴とするコバルト−マンガン系複合酸化物:
(1)組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される平均組成を有すること、
(2)正方晶スピネル型結晶構造の相と、立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離していること、
(3)正方晶スピネル型結晶構造の相と立方晶スピネル型結晶構造の相の少なくとも一方の相は、最短部の長さが1nm〜400nmの範囲内にあること。
Cobalt-manganese complex oxide satisfying the following conditions (1) to (3):
(1) Composition formula: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are numbers satisfying 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively). Having an average composition represented by:
(2) phase separation into a tetragonal spinel crystal structure phase and a cubic spinel crystal structure phase;
(3) The length of the shortest part of at least one of the tetragonal spinel crystal structure phase and the cubic spinel crystal structure phase is in the range of 1 nm to 400 nm.
平均組成と比較して、Mn比が高い正方晶スピネル型結晶構造の相と、Co比が高い立方晶スピネル型結晶構造の相に相分離していることを特徴とする、請求項1に記載のコバルト−マンガン系複合酸化物。 The phase separation of a tetragonal spinel type crystal structure having a high Mn ratio and a cubic spinel type crystal structure having a high Co ratio as compared with the average composition. Cobalt-manganese complex oxide. 組成式:Co3‐xMn(式中、x及びyは、それぞれ0.9≦x≦2.1及び3.8≦y≦4.2を満たす数である。)で表される複合酸化物の固溶体を、二相分離が生じる温度域で熱処理することを特徴とする、請求項1又は2に記載のコバルト−マンガン系複合酸化物の製造方法。 Composition formula: Co 3-x Mn x O y (wherein x and y are numbers satisfying 0.9 ≦ x ≦ 2.1 and 3.8 ≦ y ≦ 4.2, respectively). The method for producing a cobalt-manganese composite oxide according to claim 1 or 2, wherein the solid solution of the composite oxide is heat-treated in a temperature range where two-phase separation occurs. 請求項1又は2に記載のコバルト−マンガン系複合酸化物からなるP型熱電変換材料。 A P-type thermoelectric conversion material comprising the cobalt-manganese composite oxide according to claim 1. 請求項4に記載のP型熱電変換材料を含む熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module comprising the P-type thermoelectric conversion material according to claim 4.
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CN113548873A (en) * 2021-08-13 2021-10-26 新乡学院 Preparation method of manganese cobalt oxide ceramic material

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