JP2013522860A - コア−シェルナノ粒子及び製造方法 - Google Patents

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Abstract

a)コア材料のマイクロエマルジョンを形成する工程;及びb)前記コア材料のマイクロエマルジョンに少なくとも1種のシェル材料を加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程を含む、熱電ナノ粒子の形成方法。

Description

本願は、2009年2月17日に出願された米国特許出願第12/371,979号の優先権を主張し、その全内容を本願に援用する。
本発明は、熱電ナノ粒子(thermoelectric nanoparticles)に関し、特に、熱電コンポジットナノ粒子及び熱電コンポジット材料の製造方法に関する。
熱勾配から電気エネルギーを得るために熱電材料およびデバイスを利用することがある。現在の熱電材料は、式ZT=Sγ/κ×Tにより定義される熱電変換効率が限られている。上式のZT又は性能指数は、ゼーベック係数S、電気伝導率γ及び熱伝導率κを含む材料の巨視的な輸送パラメーターに関係する。
熱変換効率を高めるために、ゼーベック係数及び電気伝導率を増加させるとともに熱伝導率を減少させることができる。3つのパラメーターS、γ及びκは相互に関連しているため、ZTを増加させることは困難である。例えば、特定の材料のドーピングは、電気伝導率を増加させる一方でゼーベック係数を減少させ、熱伝導率を増加させることがある。従って、従来の材料よりも改善されたZTを有する材料が当該技術分野で必要とされている。当該技術分野では、ゼーベック係数及び電気伝導率を増加又は維持するとともに熱伝導率を低下させることにより熱電変換を増加させることも必要とされている。
熱電コンポジット材料を形成するのに利用できる熱電ナノ粒子及び材料を製造するためにナノ構造材料を利用できる。しかしながら、かかるナノ構造材料は、製造するのが困難で費用がかかることがあり、また、コンポジット材料を形成するために加工するのが困難なことがある。従って、当該技術分野では、高い熱電変換効率を有する材料をもたらす、熱電ナノ構造材料及びその製造方法が必要とされている。さらに、当該技術分野では、費用効率が高く、拡張性のある熱電ナノ粒子の製造方法が必要とされている。さらに、当該技術分野では、当該技術分野における製造に関する技術的問題を解消する改善された特性を有する熱電コンポジットの製造方法が必要とされている。
一側面において、a)コア材料のマイクロエマルジョン、例えば逆ミセルまたはミセルなどを形成する工程、及びb)少なくとも1種のシェル材料を加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程を含む、熱電ナノ粒子の形成方法を開示する。
さらなる側面において、a)コア材料のマイクロエマルジョン、例えば逆ミセルまたはミセルなどを形成する工程、b)少なくとも1種のシェル材料をコア材料の逆ミセル又はミセルに加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程;及びc)コンポジット熱電ナノ粒子を形成後にナノコンポジット材料を形成する工程を含み、前記ナノコンポジット材料が、コア材料のナノ粒子の包接物を含むシェル材料の網目構造を含む、熱電材料の形成方法を開示する。
図1は、コア材料の逆ミセルを形成する工程の図示的表現である。 図2は、第1のシェル材料の逆ミセルを形成する工程の図示的表現である。 図3は、第2のシェルの逆ミセルを形成する工程の図示的表現である。 図4は、逆ミセルを組み合わせてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程の図示的表現である。 図5は、その中に分散された二酸化ケイ素ナノ粒子を有する凝集テルル化ビスマス網目構造のTEM画像である。 図6は、その中に分散された二酸化ケイ素ナノ粒子を有するテルル化ビスマス網目構造のTEM画像である。 図7は、テルル化ビスマスマトリックス中に分散された二酸化ケイ素ナノ粒子を示すTEM画像である。
第1の側面において、a)コア材料のマイクロエマルジョン、例えば逆ミセルまたはミセルなどを形成する工程、及びb)少なくとも1種のシェル材料を加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程を含む、熱電ナノ粒子の形成方法を開示する。一側面において、上記の少なくとも1種のシェル材料は、マイクロエマルジョン、例えば逆未セル又はミセルなどとして含まれることができる。上記コア材料の逆ミセル又はミセルをシェル材料の逆ミセル又はミセルと組み合わせることができる。上記少なくとも1種のシェル材料は、一組成物において混ざり合った複数のシェル材料を含むか、又は別々に含まれてもよい。さらに、様々なシェル材料の溶液として又は逆ミセル若しくはミセルとして様々なシェル材料が含まれることができる。
一側面において、様々な材料を、コア材料及びシェル材料の両方に使用できる。一側面において、コア材料は、例えば金属、半導体、絶縁体、セラミック、カーボン、ポリマー又はそれらの組み合わせなどの材料を含むことができる。さらなる例において、コア材料は、セラミック材料、例えばシリカ、アルミナ、二酸化チタン、酸化ジルコニウム及び類似の材料などであることができる。
一側面において、シェル材料は、コンポジット材料に形成された場合に相当な熱電効果を有する材料を含むことが好ましい。シェル材料の例としては、カルコゲナイド半導体、例えばテルル化ビスマス又はテルル化鉛に基づく材料が挙げられる。シェル用のさらなる材料としては、金属又は半金属、例えば導体、半導体及び絶縁体の二元、三元又は四元合金、ケイ素とゲルマニウムの化合物、スクテッルダイト材料、例えばCoSb材料など、希土類金属間化合物、例えばYbAlなど、クラスレート構造材料、例えばシリコンゲルマニウムなど、又はSN骨格に基づく材料、MgSi及びMgSiのドープ形、ハーフホイスラー合金、例えばMNiSn材料(MはZr、Hf及びTiを表すことがある)など、多成分金属化合物、例えばNaCo、CaCoなど、並びに他の周知の熱電材料及びドーピング材料、例えば第III族、第IV族、第V族、第VI族及び第VII族元素、かかる元素の酸化物、合金及び塩などが挙げられる。
上記のように、上記方法は、図1に示すように、コア材料の逆ミセルを形成することを含むことがある。図1から分かるように、コア材料の逆ミセルを形成する工程は、溶剤に界面活性剤を溶解させる工程、溶解溶剤に塩基を加えてpHを調節する工程、次に、コア材料を加えて逆ミセルの水性部分中に分散されたコア材料のナノ粒子を形成する工程を含むことができる。
図2には、シェル材料の逆ミセルを形成する工程が示されている。図2から分かるように、シェルの逆ミセルを形成する工程は、溶剤に界面活性剤を溶解させる工程、溶解した界面活性剤にシェル材料を加えてシェル材料を含む水性部分を有する逆ミセルを形成する工程を含むことができる。
コア材料の逆ミセルおよびシェル材料の逆ミセルの形成の後に、コア材料の逆ミセルとシェル材料の逆ミセルを組み合わせる工程を実施できる。これらの逆ミセルを組み合わせることによって、逆ミセルの水性部分中に分散されたコア材料のナノ粒子を有する逆ミセル混合物が生じる。逆ミセルの水性部分もシェル材料を含む。
上記の組み合わせる工程の後に、前の工程の逆ミセルに別のシェル材料を加えて、コア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成することができる。さらなるシェル材料を逆ミセルに直接加えるか、又は、代わりに、別のシェル逆ミセルの使用を通じて第2のシェル材料を組み合わせることができる。一側面において、別のシェル逆ミセルを形成する工程は、溶剤中に界面活性剤を溶解させる工程と、次に、溶解した界面活性剤に別のシェル材料を加えて、当該追加のシェル材料を含む水性部分を有する別の逆ミセルを形成する工程を含む。当然のことながら、様々な複数のシェル材料を、例えば一組成物中に複数のシェル材料を含めて使用するか、又は別々に使用することができる。
一側面において、シェル材料のイオンが別のシェル材料の存在下で還元され、その結果、自発的な合金化がコア材料のナノ粒子の周りで生じてコア−シェル構造を形成するように、シェル材料を選択することができる。一側面において、コア材料のナノ粒子は、直径で0.5〜50ナノメートルのサイズを有することができる。さらに、コア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子は、直径で1.5ナノメートルから10ミクロンまでのサイズを有することができる。逆ミセルの使用によって、精密なやり方で、コア−シェル材料のサイズ及び厚さの制御が可能になる。一側面において、保護又はキャッピングリガンドが欠如している又は存在しないために、シェル材料は、自発的に融合して、シェル材料のマトリックス中に分散されたコア材料のナノ粒子を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成することができる。
コア−シェルナノ粒子コンポジットの形成後、様々な単離及び除染工程を行うことができる。例えば、そのプロセスは、コンポジット熱電ナノ粒子の形成後にコンポジット熱電ナノ粒子をデカントする工程を含むことができる。さらに、コンポジット熱電ナノ粒子中に含まれ得る汚染物の量を最低限にするために、コンポジット熱電ナノ粒子を洗浄する工程を実施してもよい。一側面において、洗浄工程は、コンポジット熱電ナノ粒子を有機溶剤により洗浄する工程、及び水で複数回洗浄する工程を含むことができ、各洗浄工程の後にナノ粒子を単離する。ナノ粒子中の汚染物の量を制限するために、酸若しくは塩基又は水を使用する洗浄方法を実施することもできる。
熱電ナノ粒子の形成後、材料を熱電デバイスにおける使用のためのナノコンポジット材料に形成することができる。一側面において、この形成工程は、コンポジット熱電ナノ粒子を焼成してコア材料ナノ粒子の包接物を含むシェル材料の網目構造を形成することを含むことができる。焼成によってナノ粒子を合金化してもしなくてもよい。焼成によって、熱電材料及び/又は包接物の結晶性を増加させてもさせなくてもよい。結晶性ドメイン及び領域のサイズは、焼成により影響を受けても受けなくてもよい。この方法では、従来の熱電材料と比べて熱電材料の性能指数を高めることができる。
以下の実施例は、テルル化ビスマスシェル材料を二酸化ケイ素コアの周りに形成してコンポジットナノ粒子を形成する方法に関して詳しく記載したものである。当然のことながら、様々な他の材料をコア材料及びシェル材料の両方に使用できる。
実施例1
まず、シクロヘキサン(265mL)中にIgepal CO−520(23.332g)を溶解させた。水酸化アンモニウムの水溶液(pH 10〜11)を加え(5.74mL)、少なくとも5分間攪拌した。この溶液は、逆ミセルの形成につれて、完全に透明になった。次に、テトラメチルオルトシリケート(TMOS)を加えた(3.35mL)。反応を攪拌下で4時間行い、その時間の間にTMOSはシクロヘキサン相から逆ミセルの水性コアに拡散した。逆ミセルの塩基性水性コアにおいて、TMOSは反応して、直径で0.5〜50nmのサイズのシリカナノ粒子を形成した。
別のフラスコで、シクロヘキサン(240mL)中にIgepal CO−520(32.793g)を溶解させた。この別のIgepal CO−520とシクロヘキサンの溶液に、2.5M水性HCl中の塩化ビスマス(7.794g)の溶液(33mL)を加えた。次に、それを10分間攪拌すると、塩化ビスマス水溶液の水性コアを有する逆ミセルを形成した。
2つのタイプの逆ミセル、すなわちSiOナノ粒子を含むものとBiCl溶液を含むものを組み合わせて混合し、SiOナノ粒子及び塩化ビスマスの両方を含む水性コアを有する逆ミセルを生成させた。
合成ごとの必要性に応じてNaTeH還元剤を合成した。テルル粉末(4.772g)をHO(21mL)に加え、反応フラスコ全体を氷浴で冷却し、アルゴンで脱気した。水素化ホウ素ナトリウム(2.934g)を、約2分間かけて数回に分けて反応に加え、次に、アルゴン下で12時間攪拌した。水素化ホウ素ナトリウムの添加は発熱的であり、水素ガスを発生した。発生した水素ガスの可能性のある発火を防止するために、反応をこの段階で冷却した。酸素はNaTeHをテルル金属に変換するために、合成中にNaTeHに対して酸素を含まない環境を維持することができる。
再びシクロヘキサン(100mL)にIgepal CO−520(13.362g)を溶解させることによって、第3のタイプの逆ミセルを形成した。NaTeH反応溶液を加え、10分間攪拌後に、テルル還元剤を含む水性コアを有する逆ミセルを形成した。
次に、NaTeH逆ミセルを、SiOナノ粒子とBiCl逆ミセルを組み合わせたものと混合した。NaTeH逆ミセルがSiOナノ粒子とBiCl逆ミセルと融合したときに、テルル金属の存在下でビスマスイオンがビスマス金属に還元され、シリカコアの周りで自発的な合金化が生じた。
1時間後、反応溶液をデカントして黒色沈殿物を集めた。この材料を200mLのアセトン、200mLのHO、200mLのHO、及び次に200mLのアセトンにより洗浄した。その際、各洗浄工程後に遠心分離を行って、黒色スラリーを次の溶剤で洗浄する前に分散材料を回収した。
図5及び6を参照すると、上に概説した合成法により形成されたコンポジットナノ粒子のTEM画像が示されている。図から分かるように、クラスターは、界面活性剤又はキャッピング剤が存在しないために自発的に凝集した個々のコンポジットナノ粒子から構成される。さらに、図から分かるように、0.5〜50ナノメートルのフィーチャーを有する二酸化ケイ素のコアナノ粒子が、テルル化ビスマス材料のマトリックス中に分散されている。
例2
コンポジットナノ粒子を、350℃及び20MPaで32分間かけて熱圧焼成して熱電コンポジット材料を得た。図7を参照すると、上に概説した方法により形成されたナノコンポジット材料のTEM画像が示されている。図から分かるように、テルル化ビスマスの結晶性ドメインは、組み込まれている二酸化ケイ素のアモルファスナノ粒子を有する。さらに、テルル化ビスマスマトリックス中のこれらの二酸化ケイ素ナノ粒子包接物のナノコンポジット構造がはっきりと示されている。
上記の図面、議論および説明は、本発明の特定の実施態様を例示するものであるが、本発明の実施の際の制限を意味するものでない。上に示した教示内容を参照して、当業者は本発明の様々な改良を容易に理解するであろう。本発明の範囲を規定するのは、全ての均等物を包含する次の特許請求の範囲である。
本発明は、熱電ナノ粒子(thermoelectric nanoparticles)に関し、特に、熱電コンポジットナノ粒子及び熱電コンポジット材料の製造方法に関する。
第1の側面において、a)コア材料のマイクロエマルジョン、例えば逆ミセルまたはミセルなどを形成する工程、及びb)少なくとも1種のシェル材料を加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程を含む、熱電ナノ粒子の形成方法を開示する。一側面において、上記の少なくとも1種のシェル材料は、マイクロエマルジョン、例えば逆セル又はミセルなどとして含まれることができる。上記コア材料の逆ミセル又はミセルをシェル材料の逆ミセル又はミセルと組み合わせることができる。上記少なくとも1種のシェル材料は、一組成物において混ざり合った複数のシェル材料を含むか、又は別々に含まれてもよい。さらに、様々なシェル材料の溶液として又は逆ミセル若しくはミセルとして様々なシェル材料が含まれることができる。

Claims (32)

  1. a)コア材料のマイクロエマルジョンを形成する工程;及び
    b)前記コア材料の逆ミセルまたはミセルに少なくとも1種のシェル材料を加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程;
    を含む、熱電ナノ粒子の形成方法。
  2. 前記マイクロエマルジョンが逆ミセル及びミセルから選ばれる、請求項1に記載の方法。
  3. 前記少なくとも1種のシェル材料が複数のシェル材料を含んでシェル材料組成物を形成している、請求項1に記載の方法。
  4. 少なくとも1種のシェル材料を加える工程が、少なくとも1種のシェル材料のマイクロエマルジョンを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
  5. 少なくとも1種のシェルのマイクロエマルジョンが逆ミセル及びミセルから選ばれる、請求項4に記載の方法。
  6. 前記コア材料のマイクロエマルジョンと前記少なくとも1種のシェル材料のマイクロエマルジョンを組み合わせる工程を含む、請求項4に記載の方法。
  7. 前記コア材料と前記少なくとも1種のシェル材料の組み合わされたマイクロエマルジョンに別のシェル材料を加える工程を含む、請求項6に記載に方法。
  8. コア材料のマイクロエマルジョンを形成する工程が、逆ミセル又はミセル中にコアを導入することを含む、請求項1に記載の方法。
  9. さらなるシェル材料のマイクロエマルジョンを形成する工程を含む、請求項4に記載の方法。
  10. 前記コア材料のマイクロエマルジョンと前記さらなるシェルのマイクロエマルジョンとを組み合わせる工程を含む、請求項9に記載の方法。
  11. さらなるシェル材料を加える工程を含む、請求項1に記載の方法。
  12. 前記コア材料のマイクロエマルジョンと前記さらなるシェル材料とを組み合わせる工程を含む、請求項11に記載の方法。
  13. コア材料のマイクロエマルジョンを形成する工程が、
    ai)有機溶剤又は水溶液中に界面活性剤を溶解させる工程;
    aii)溶解した界面活性剤に水性相又は有機相を加える工程;及び
    下記の工程:
    aiii)pHを調節してコア形成反応を開始させる工程;
    aiv)試薬を導入してコア形成反応を開始させる工程;
    av)照射又は加熱してコア形成反応を開始させる工程;
    avi)pHを調節して系を安定化させる工程;
    avii)逆ミセル又はミセルに1又は複数のコア構造を直接加える工程;
    aviii)工程aiii)の材料にコア材料を加えて逆ミセル又はミセルの水性部分中に分散されたコア材料のナノ粒子を形成する工程;
    aix)工程aiv)の材料にコア材料を加えて逆ミセルの水性部分中に分散されたコア材料のナノ粒子を形成する工程;及び
    aix)工程av)の材料にコア材料を加えて逆ミセルの水性部分中に分散されたコア材料のナノ粒子を形成する工程;
    から成る群から選ばれる工程;
    を含む、請求項1に記載の方法。
  14. シェル材料のマイクロエマルジョンを形成する工程が、
    bi)溶剤又は水溶液に界面活性剤を溶解させる工程;
    bii)溶解した界面活性剤にシェル材料を加えて少なくとも1つのシェルを含む溶剤又は水性部分を有する逆ミセル又はミセルを形成する工程;
    を含む、請求項4に記載の方法。
  15. シェル材料のマイクロエマルジョンを形成する工程が、
    ci)溶剤又は水溶液に界面活性剤を溶解させる工程;
    cii)溶解した界面活性剤にさらなるシェル材料を加えてさらなるシェル材料を含む水性部分を有する別のマイクロエマルジョンを形成する工程;
    を含む、請求項14に記載の方法。
  16. 熱電コンポジットナノ粒子が、SiO、金属、半導体、絶縁体、セラミック、カーボン、ポリマー又はそれらの組み合わせ、及びアルミナ、二酸化チタン、酸化ジルコニウムなどのセラミック材料から選ばれるコアと、BiTe、カルコゲナイド半導体、例えばテルル化ビスマス及びテルル化鉛など、金属、半金属、例えば導体、半導体及び絶縁体の二元、三元又は四元合金など、ケイ素とゲルマニウムの化合物、スクテッルダイト材料、例えばCoSb材料など、希土類金属間化合物、例えばYbAlなど、クラスレート構造材料、例えばシリコンゲルマニウムなど又はSN骨格に基づく材料、MgSi及びMgSiのドープ形、ハーフホイスラー合金、例えばMNiSn材料(MはZr、Hf及びTiを表すことがある)など、多成分金属化合物、例えばNaCo、CaCoなど、並びに熱電材料及びドーピング材料、例えば、第III族、第IV族、第V族、第VI族及び第VII族元素、かかる元素の酸化物、合金及び塩などから選ばれるシェルを含む、請求項1に記載の方法。
  17. コア材料のマイクロエマルジョンを形成する工程が、
    q)溶剤に界面活性剤を溶解させる工程;
    r)溶解した界面活性剤に水酸化アンモニウムを加える工程;
    s)工程r)の材料にテトラメチルオルトシリケートを加えてマイクロエマルジョンの水性部分中に分散されたSiOナノ粒子を形成する工程;
    を含む、請求項16に記載の方法。
  18. シェルのマイクロエマルジョンを形成する工程が、
    t)溶剤に界面活性剤を溶解させる工程;
    u)溶解した界面活性剤にBiClを加えてBiClを含む水性部分を有する第2のマイクロエマルジョンを形成する工程;
    を含む、請求項16に記載の方法。
  19. シェルのマイクロエマルジョンを形成する工程が、
    v)溶剤に界面活性剤を溶解させる工程;
    w)NaTeH材料を形成し、溶解した界面活性剤に当該NaTeH材料を加えてNaTeHを含む水性部分を有する第2のシェルのマイクロエマルジョンを形成する工程;
    を含む、請求項18に記載の方法。
  20. BiClを加える工程を含み、当該BiClのビスマスイオンがテルルの存在下でビスマス金属に還元され、SiOコアナノ粒子の周りで自発的な合金化が起こる、請求項19に記載の方法。
  21. 前記コア材料のナノ粒子が、直径で1.5〜50ナノメートルのサイズを有する、請求項1に記載の方法。
  22. 前記コンポジット熱電ナノ粒子が、直径で1.5ナノメートル〜10ミクロンのサイズを有する、請求項1に記載の方法。
  23. 前記コンポジット熱電ナノ粒子が1〜100ナノメートルのシェル厚さを有する、請求項1に記載の方法。
  24. 前記コンポジット熱電ナノ粒子をデカントする工程を含む、請求項1に記載の方法。
  25. 前記コンポジット熱電ナノ粒子を洗浄する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  26. 前記洗浄工程が、前記コンポジット熱電ナノ粒子を有機溶剤で洗浄し、水で複数回洗浄し、各洗浄工程の後にナノ粒子を単離する工程を含む、請求項25に記載の方法。
  27. コンポジット熱電ナノ粒子の形成後にナノコンポジット材料を形成する工程を含み、ナノコンポジット材料は網目構造を含む、請求項1に記載の方法。
  28. 前記形成工程が、コンポジット熱電ナノ粒子を焼成してコア材料のナノ粒子の包接物を含むシェル材料の網目構造を形成することを含む、請求項27に記載の方法。
  29. a)コア材料のマイクロエマルジョンを形成する工程;
    b)前記コア材料のマイクロエマルジョンに少なくとも1種のシェル材料を加えてコア−シェル構造を有するコンポジット熱電ナノ粒子を形成する工程;
    c)コンポジット熱電ナノ粒子の形成後にナノコンポジット材料を形成する工程;
    を含み、前記ナノコンポジット材料がコア材料のナノ粒子の包接物を含むシェル材料の網目構造を含む、熱電材料の形成方法。
  30. 少なくとも1種のシェル材料を加える工程が、少なくとも1種のシェル材料のマイクロエマルジョンを形成することを含む、請求項29に記載の方法。
  31. 前記コンポジット熱電ナノ粒子が1.5ナノメートル〜10ミクロンのサイズを有する、請求項29に記載の方法。
  32. 前記コア材料のマイクロエマルジョンと前記少なくとも1種のシェル材料のマイクロエマルジョンを組み合わせる工程を含む、請求項30に記載の方法。
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