JP3950956B2 - Method for producing complex oxide single crystal - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合酸化物単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
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−を最終的には熱として大気中に廃棄している。また、工場やごみ焼却場などにおいて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。
【0003】
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することが有効である。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は有効な手段である。この熱電変換とは、ゼーベック効果を利用したものであり、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て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配置し、もう一端を大気中(室温)に配置して、それぞれの両端に導線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。このためコストも安く、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。
【0004】
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技術として期待されているが、熱電発電を実現するためには、高い熱電変換効率を有し、耐熱性、化学的耐久性等に優れた熱電変換材料を大量に供給することが必要となる。
【0005】
現在、高い熱電変換効率を有する物質としては、金属間化合物が知られている。しかしながら、金属間化合物の熱電変換効率は最大で10%程度であり、しかも、空気中では500K程度以下の温度でしか利用できない。また、金属間化合物の種類によっては毒性元素や希少元素を構成元素とするものもある。
【0006】
このため、廃熱を利用する熱電発電は未だ実用化には至っておらず、毒性が少なく、存在量の多い元素により構成され、耐熱性、化学的耐久性等に優れ、高い熱電変換効率を有する材料の開発が期待されている。
【0007】
近年、耐久性に優れ、高い熱電変換効率を有する材料として、Ca、Bi、Sr、Na等を含有するCo系複合酸化物が報告されており、その実用化が有望視されている。しかしながら、これらの複合酸化物は、単結晶では高性能を示すものの、合成の容易な多結晶体では1/3程度以下まで性能が低下してしまう。
【0008】
このため、上記した複合酸化物の単結晶を簡単な方法で大量に製造できる方法や用途に応じた大型の複合酸化物単結晶を製造可能な方法が望まれている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解消すべくなされたものであり、簡単な方法によって、優れた熱電変換性能を有する複合酸化物単結晶を製造可能な方法を提供することを主な目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した如き課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、Ca化合物及びCo化合物を含む原料物質に、更に、Sr化合物及びBa化合物から選ばれた少なくとも一種の化合物を加えた混合物を加熱して溶融させた後、冷却する方法によれば、比較的簡単な方法で、一般式:Ca2.8 4Co48.8 12で表される複合酸化物の単結晶を収率よく製造することができ、しかも、大型の単結晶も容易に製造が可能であることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
【0011】
即ち、本発明は、下記の複合酸化物単結晶の製造方法及び複合酸化物単結晶を提供するものである。
1. (1)Ca含有物、(2)Co含有物、並びに(3)Sr含有物及びBa含有物から選ばれた少なくとも一種の成分、を含む原料混合物を加熱して溶融させた後、冷却することを特徴とする複合酸化物単結晶の製造方法。
2. 原料混合物が、更に、アルカリ金属化合物及びホウ酸から選ばれた少なくとも一種の化合物を含むものである請求項1に記載の複合酸化物単結晶の製造方法。
3. 原料混合物に含まれる金属分の元素比が下記式の範囲内である請求項1又は2に記載の複合酸化物単結晶の製造方法:
Ca:Co:A:B=2.6〜22:4:1〜32:0〜20
(式中、AはSr及びBaの合計量であり、BはCa、Co、Sr及びBa以外の金属分の合計量である。)。
4. 原料混合物の冷却速度が、毎時20℃以下である上記項1〜3のいずれかに記載の複合酸化物単結晶の製造方法
5. 得られる複合酸化物単結晶が、
一般式:Ca2.8 4Co48.8 12
で表される複合酸化物である上記項1〜4のいずれかに記載の複合酸化物単結晶の製造方法。
6. 上記項1〜5のいずれかの方法によって得られる
一般式:Ca2.8 4Co48.8 12
で表される複合酸化物単結晶。
7. 500K(絶対温度)において90μV/K以上のゼーベック係数を有し、300K(絶対温度)において103S/m以上の電気伝導度を有する上記項6に記載の複合酸化物単結晶。
8. 上記項6又は7に記載の複合酸化物単結晶を含む熱電変換材料。
9. 上記項8に記載された熱電変換材料を含む熱電発電モジュール。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の方法では、まず、(1)Ca含有物、(2)Co含有物、並びに(3)Sr含有物及びBa含有物から選ばれた少なくとも一種の成分、を含む原料混合物を調製する。
【0013】
原料として用いる化合物の種類については、特に限定的ではなく、原料混合物を加熱した際に均一な溶融物を形成し得るものであればよく、例えば、金属単体、酸化物、各種化合物(炭酸塩等)等を使用できる。
【0014】
原料物質として使用できるCa含有物の具体例としては、酸化カルシウム(CaO)、過酸化カルシウム(CaO2)、炭酸カルシウム(CaCO3)、硝酸カルシウム(Ca(NO32)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、塩化カルシウム(CaCl2)、アルコキシド化合物(ジメトキシカルシウム(Ca(OCH32)、ジエトキシカルシウム(Ca(OC252)、ジプロポキシカルシウム(Ca(OC372)等)等を挙げることができる。Co含有物としては、酸化コバルト(CoO、Co23、Co34)、炭酸コバルト(CoCO3)、硝酸コバルト(Co(NO32)、水酸化コバルト(Co(OH)2)、塩化コバルト(CoCl2)、アルコキシド化合物(ジプロポキシコバルト(Co(OC372等)等を例示できる。また、Ca含有物及びCo含有物として、それぞれ異なる化合物を用いることなく、CaとCoの両方を含む化合物を用いても良い。
【0015】
また、Sr含有物の具体例としては、酸化ストロンチウム(SrO)、過酸化ストロンチウム(SrO2)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)、硝酸ストロンチウム(Sr(NO32)、水酸化ストロンチウム(Sr(OH)2)、アルコキシド化合物(ジメトキシストロンチウム(Sr(OCH32)、ジエトキシストロンチウム(Sr(OC252)、ジプロポキシストロンチウム(Sr(OC372)等)等を挙げることができ、Ba含有物の具体例としては、酸化バリウム(BaO)、過酸化バリウム(BaO2)、炭酸バリウム(BaCO3)、硝酸バリウム(Ba(NO32)、水酸化バリウム(Ba(OH)2)、アルコキシド化合物(ジメトキシバリウム(Ba(OCH32)、ジエトキシバリウム(Ba(OC252)、ジプロポキシバリウム(Ba(OC372)等)を挙げることができる。Sr含有物及びBa含有物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。
【0016】
本発明では、上記した(1)Ca含有物、(2)Co含有物、並びに(3)Sr含有物及びBa含有物から選ばれた少なくとも一種の成分、を含む原料混合物に、更に、必要に応じて、溶融物の融点を調整することなどを目的として、その他の成分を添加しても良い。
【0017】
この様な必要に応じて添加できる成分の種類については特に限定的ではないが、例えば、アルカリ金属化合物、ホウ素含有化合物等を用いることができる。アルカリ金属化合物の具体例としては、塩化リチウム(LiCl)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)等のアルカリ金属塩化物、その水和物、炭酸リチウム(Li2CO3)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸カリウム(K2CO3)等のアルカリ金属炭酸塩等を挙げることができ、ホウ素含有化合物の具体例としては、ホウ酸(B23)等を挙げることができる。これらの成分についても、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。
【0018】
原料混合物における各成分の混合割合は、原料混合物に含まれる金属分の元素比が下記式の範囲内となるようにすることが好ましい。
【0019】
Ca:Co:A:B=2.6〜22:4:1〜32:0〜20
上記式において、AはSr及びBaの合計量であり、Bは原料混合物中に含まれるCa含有物、Co含有物、Sr含有物及びBa含有物以外の成分の金属分の合計量である。
【0020】
特に、原料混合物における各成分の元素比は、下記式の範囲内とすることがより好ましい。
【0021】
Ca:Co:A:B=2.8〜8:4:3〜30:0〜15
原料混合物を調製する方法については特に限定はなく、上記した各成分を十分に混合できる方法であれば良いが、必要に応じて、適宜粉砕することによって、後述する加熱の際の溶融反応の効率を向上させることができる。
本発明方法では、まず、上記した原料混合物を加熱して溶融させる。加熱条件については、原料混合物が溶融して均一な溶液状態となる条件であればよいが、溶融容器からの汚染や原料成分の蒸発を防止するためには、例えば、アルミナ製るつぼを用いる場合には、650〜1000℃程度に加熱して溶融させることが好ましい。加熱時間については特に限定はなく、原料混合物が均一な溶液状態となるまで加熱すれば良く、通常1〜3時間程度の加熱時間とすればよい。
【0022】
加熱手段としては特に限定されず、電気加熱炉、ガス加熱炉等任意の手段を採用することができる。溶融の際の雰囲気は、空気中や酸素気流中等の酸素含有雰囲気とすれば良いが、原料物質が十分量の酸素を含む場合には、不活性雰囲気で溶融しても良い。
【0023】
上記した方法はいわゆるフラックス法と称される方法であり、加熱によって原料混合物に含まれる成分の一部が溶融し、その化学変化、溶解作用等によって、原料物質全体が溶液状態となり、この様な溶液状態の原料物質を冷却することによって、冷却に伴う過飽和状態を用いて目的とする単結晶を成長させることができる。この際、原料物質が溶融して形成された溶液と相平衡にある固相組成のCa及びCoを含む複合酸化物の単結晶が成長するので、互いに平衡状態にある融液相と固相(単結晶)の組成の関係によって、目的とする複合酸化物単結晶の組成に応じて、原料物質におけるCa含有物とCo含有物の割合を決めることができる。
【0024】
次いで、溶融した混合物を冷却して固化させることによって複合酸化物単結晶が形成される。形成される複合酸化物単結晶の大きさや収率は、原料物質の種類と組成比、溶融成分の組成、冷却速度等によって変わり得るが、例えば、毎時20℃以下の冷却速度で試料が固化するまで冷却する場合には、長さ、幅ともに2mm程度以上、厚さ1〜50μm程度の板状の形状を有する単結晶を得ることができ、収率は、Coイオン比で仕込み組成から期待される最大値の40%程度以上という高い値となる。さらに、冷却速度を遅くすれば単結晶をより大型化することができる。
【0025】
次いで、冷却により形成された固化物から、目的とする複合酸化物単結晶以外の成分を除去することによって、一般式:Ca2.8 4Co48.8 12で表される複合酸化物単結晶を得ることができる。
【0026】
目的物以外の成分を除去する方法としては、例えば、複合酸化物単結晶に付着した水溶性の成分、例えば、塩化物等については、蒸留水による洗浄とろ過を繰り返し、必要によりエタノール洗浄等を併用することによって、目的物から除去することができる。非水溶性の残留物については、通常粉体状や顆粒状となって存在するので、例えば、ふるい等を用いた分離により、目的とする複合酸化物単結晶から除去することができる。
【0027】
得られた複合酸化物単結晶は、層状構造を有する単結晶となり、ゼーベック係数(S)は、同一組成の多結晶体と同等であり、500K以上の温度では90μV/K以上となる。
【0028】
また、該複合酸化物単結晶は、単結晶であることによって高い電気伝導度を有するものとなり、温度の上昇に伴って電気電導度が高くなる非金属的挙動を示し、300K以上の温度では、103S/m以上という高い電気電導度を示す。
【0029】
この様に本発明方法によって得られる複合酸化物単結晶は、高いゼーベック係数と高い電気伝導度を同時に有するものであり、優れた熱電変換性能を発揮することができる。
【0030】
本発明方法によって得られる複合酸化物単結晶は、上記した特性を利用して、例えば、従来の金属間化合物材料では不可能であった、空気中、高温で用いる熱電変換材料、例えば、p型熱電変換材料等として有効に用いることができる。よって、該複合酸化物単結晶を熱電発電モジュールのp型材料としてシステム中に組み込むことにより、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。また、ペルチェ効果を用いた熱電モジュールへの応用も可能である。
【0031】
本発明の複合酸化物単結晶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を図1に示す。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ている。
【0032】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、高いゼーベック係数(S)と高い電気伝導度を有する優れた熱電変換性能を有する複合酸化物単結晶を高収率で得ることができ、優れた性能を有する熱電変換材料の大量生産が可能となる。
【0033】
また、冷却速度を遅くすることによって大型の単結晶も製造可能であり、用途に応じた大型の熱電変換材料を容易に得ることができる。
【0034】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
【0035】
実施例1
炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化コバルト(Co34)及び塩化ストロンチウム(SrCl2)を、金属分の元素比として、Ca:Co:Sr=3:4:18となる様に十分に混合した後、アルミナるつぼに入れ、電気炉内で、空気中で900℃で3時間加熱して溶融させた。
【0036】
その後毎時6℃の速度で冷却し、室温で固化物を取り出した。得られた固化物に対して、蒸留水による洗浄及びろ過を3回繰り返し、最終的にエタノールによる洗浄とろ過を行なうことによって、式:Ca3.4Co49で表される複合酸化物の単結晶を得た。
【0037】
得られた複合酸化物単結晶のX線回折図を図2に示す。図2のa)は上記複合酸化物単結晶のX線回折図であり、b)は公知物質(S. Li他、J. Mater. Chem., vol. 9 pp. 1659-1660 (1999))であるCa3Co49多結晶体の粉末X線回折図である。この結果、上記複合酸化物単結晶は、Ca3Co49と同様の層状の結晶構造を有することが分かった。
【0038】
得られた複合酸化物単結晶について、300〜1000K(絶対温度)におけるゼーベック係数(S)の温度依存性を示すグラフを図3に示す。図3から、この複合酸化物は、500K以上の温度では90μV/Kを上回るゼーベック係数を有し、温度上昇とともにゼーベック係数が増加することが判る。尚、後述する全ての実施例において同様の温度依存性が認められ、500K以上の温度で90μV/Kを上回るゼーベック係数であった。
【0039】
更に、該複合酸化物単結晶の300〜1000K(絶対温度)における電気伝導度(σ)の温度依存性を示すグラフを図4に示す。後述する全ての実施例においても同様の温度依存性が観察され、温度上昇に伴って電気伝導度が高くなる半導体的挙動を示し、300K以上の温度で103S/mを上回る高い電気電導度であった。
【0040】
実施例2〜83
表1〜表7に示す原料組成、加熱温度及び処理時間で、実施例1と同様にして加熱処理を行った。
【0041】
次いで、表1〜表7に示す冷却速度で冷却し、室温で固化物を取り出して、実施例1と同様にして、蒸留水による洗浄及びろ過と、エタノールによる洗浄及びろ過を行うことによって、複合酸化物の単結晶を得た。
【0042】
表1〜表7に、各実施例で得た複合酸化物単結晶の平均組成、収率及び973Kにおける熱電変換指数(ZT)の測定値を示す。ここでZTは、以下の式によって定義される値であり、材料の熱電変換効率を示し、この値が高いほど変換効率が高くなる。本発明では、全ての実施例において、ZTは973Kで1.0を上回る値であった。
【0043】
ZT=S2Tσ/κ
S:ゼーベック係数、T:絶対温度、σ:電気伝導度、κ:熱伝導度
【0044】
【表1】

Figure 0003950956
【0045】
【表2】
Figure 0003950956
【0046】
【表3】
Figure 0003950956
【0047】
【表4】
Figure 0003950956
【0048】
【表5】
Figure 0003950956
【0049】
【表6】
Figure 0003950956
【0050】
【表7】
Figure 0003950956

【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合酸化物単結晶を熱電変換材料として用いた熱電変換材料として用いた熱電発電モジュールの模式図。
【図2】実施例1で得られた複合酸化物単結晶のX線回折図。
【図3】実施例1で得られた複合酸化物単結晶のゼーベック係数の温度依存性を示すグラフ。
【図4】実施例1で得られた複合酸化物の電気伝導度の温度依存性を示すグラフ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a complex oxide single crystal.
[0002]
[Prior art]
In Japan, the effective energy yield from primary supply energy is only about 30%, and about 70% of 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 thermal energy, and have gained little energy from actions such as burning fossil energy.
[0003]
In order to improve the energy yield, it is effective 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 and is an energy conversion method in which a potential difference is generated by generating a temperature difference at both ends of the thermoelectric conversion material to generate power. In this thermoelectric power generation, one end of the thermoelectric conversion material is placed in a high temperature part generated by waste heat, the other end is placed in the atmosphere (room temperature), and electricity is obtained simply by connecting a conductive wire to each end. No movable devices such as motors and turbines necessary for general power generation are required. For this reason, the cost is low, there is no discharge of gas due to combustion or the like, and power generation can be continuously performed until the thermoelectric conversion material deteriorates.
[0004]
In this way, thermoelectric power generation is expected as a technology that will play a part in solving energy problems that are a concern in the future, but in order to realize thermoelectric power generation, it has high thermoelectric conversion efficiency, heat resistance, chemical durability. It is necessary to supply a large amount of thermoelectric conversion materials excellent in properties and the like.
[0005]
At present, intermetallic compounds are known as substances having high thermoelectric conversion efficiency. However, the thermoelectric conversion efficiency of intermetallic compounds is about 10% at the maximum, and it can be used only in air at a temperature of about 500K or less. Some types of intermetallic compounds include toxic elements and rare elements as constituent elements.
[0006]
For this reason, thermoelectric power generation using waste heat has not yet been put into practical use, is composed of elements that are less toxic, have abundant amounts, have excellent heat resistance, chemical durability, etc., and have high thermoelectric conversion efficiency. Development of materials is expected.
[0007]
In recent years, Co-based composite oxides containing Ca, Bi, Sr, Na, and the like have been reported as materials having excellent durability and high thermoelectric conversion efficiency, and their practical application is considered promising. However, although these composite oxides exhibit high performance in single crystals, the performance decreases to about 1/3 or less in a polycrystal that is easily synthesized.
[0008]
For this reason, a method capable of producing a large amount of the above-described complex oxide single crystal in a large amount by a simple method and a method capable of producing a large complex oxide single crystal according to the application are desired.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and mainly provides a method capable of producing a complex oxide single crystal having excellent thermoelectric conversion performance by a simple method. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of the problems as described above, the present inventor has obtained a mixture obtained by further adding at least one compound selected from Sr compound and Ba compound to a raw material containing Ca compound and Co compound. According to the method of cooling after heating and melting, a single crystal of a complex oxide represented by the general formula: Ca 2.8 to 4 Co 4 O 8.8 to 12 is produced with high yield by a relatively simple method. In addition, the present inventors have found that a large single crystal can be easily manufactured, and the present invention has been completed here.
[0011]
That is, the present invention provides the following method for producing a complex oxide single crystal and a complex oxide single crystal.
1. (1) heating and melting a raw material mixture containing Ca-containing material, (2) Co-containing material, and (3) at least one component selected from Sr-containing material and Ba-containing material, and then cooling. A method for producing a complex oxide single crystal characterized by the following.
2. The method for producing a complex oxide single crystal according to claim 1, wherein the raw material mixture further contains at least one compound selected from an alkali metal compound and boric acid.
3. The method for producing a composite oxide single crystal according to claim 1 or 2, wherein the elemental ratio of the metal contained in the raw material mixture is within the range of the following formula:
Ca: Co: A: B = 2.6-22: 4: 1-32: 0-20
(In the formula, A is the total amount of Sr and Ba, and B is the total amount of metals other than Ca, Co, Sr and Ba).
4). Item 4. The method for producing a complex oxide single crystal according to any one of Items 1 to 3, wherein the cooling rate of the raw material mixture is 20 ° C or less per hour. The resulting complex oxide single crystal is
General formula: Ca 2.8 to 4 Co 4 O 8.8 to 12
The method for producing a complex oxide single crystal according to any one of Items 1 to 4, which is a complex oxide represented by the formula:
6). General formula obtained by any one of the above items 1 to 5: Ca 2.8 to 4 Co 4 O 8.8 to 12
A complex oxide single crystal represented by:
7). The composite oxide single crystal according to Item 6, having a Seebeck coefficient of 90 μV / K or more at 500 K (absolute temperature) and an electric conductivity of 10 3 S / m or more at 300 K (absolute temperature).
8). 8. A thermoelectric conversion material comprising the composite oxide single crystal according to item 6 or 7.
9. The thermoelectric power generation module containing the thermoelectric conversion material as described in said item 8.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method of the present invention, first, a raw material mixture containing (1) a Ca-containing material, (2) a Co-containing material, and (3) at least one component selected from an Sr-containing material and a Ba-containing material is prepared.
[0013]
The type of the compound used as the raw material is not particularly limited as long as it can form a uniform melt when the raw material mixture is heated. For example, simple metals, oxides, various compounds (such as carbonates) ) Etc. can be used.
[0014]
Specific examples of Ca-containing materials that can be used as raw materials include calcium oxide (CaO), calcium peroxide (CaO 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), calcium nitrate (Ca (NO 3 ) 2 ), calcium hydroxide ( Ca (OH) 2 ), calcium chloride (CaCl 2 ), alkoxide compound (dimethoxy calcium (Ca (OCH 3 ) 2 ), diethoxy calcium (Ca (OC 2 H 5 ) 2 ), dipropoxy calcium (Ca (OC 3) H 7 ) 2 ), etc.). Co-containing materials include cobalt oxide (CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 ), cobalt carbonate (CoCO 3 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), and cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ). , Cobalt chloride (CoCl 2 ), alkoxide compounds (dipropoxycobalt (Co (OC 3 H 7 ) 2, etc.), etc. Further, without using different compounds as Ca-containing materials and Co-containing materials, A compound containing both of Co and Co may be used.
[0015]
Specific examples of the Sr-containing material include strontium oxide (SrO), strontium peroxide (SrO 2 ), strontium carbonate (SrCO 3 ), strontium nitrate (Sr (NO 3 ) 2 ), and strontium hydroxide (Sr (OH) 2 ), alkoxide compounds (dimethoxystrontium (Sr (OCH 3 ) 2 ), diethoxystrontium (Sr (OC 2 H 5 ) 2 ), dipropoxystrontium (Sr (OC 3 H 7 ) 2 ), etc.) Specific examples of the Ba-containing material include barium oxide (BaO), barium peroxide (BaO 2 ), barium carbonate (BaCO 3 ), barium nitrate (Ba (NO 3 ) 2 ), and barium hydroxide (Ba). (OH) 2), alkoxide compounds (dimethoxy barium (Ba (OCH 3) 2) , diethoxy barium (B (OC 2 H 5) 2) , and di propoxy barium (Ba (OC 3 H 7) 2) , etc.). Sr-containing materials and Ba-containing materials can be used singly or in combination of two or more.
[0016]
In the present invention, the raw material mixture containing (1) Ca-containing material, (2) Co-containing material, and (3) at least one component selected from Sr-containing material and Ba-containing material is further necessary. Accordingly, other components may be added for the purpose of adjusting the melting point of the melt.
[0017]
The kind of the component that can be added as necessary is not particularly limited, and for example, an alkali metal compound, a boron-containing compound, or the like can be used. Specific examples of the alkali metal compound include alkali metal chlorides such as lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), and potassium chloride (KCl), hydrates thereof, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium carbonate ( Examples thereof include alkali metal carbonates such as Na 2 CO 3 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and specific examples of boron-containing compounds include boric acid (B 2 O 3 ). . These components can also be used singly or in combination of two or more.
[0018]
The mixing ratio of each component in the raw material mixture is preferably such that the elemental ratio of the metal contained in the raw material mixture falls within the range of the following formula.
[0019]
Ca: Co: A: B = 2.6-22: 4: 1-32: 0-20
In the above formula, A is the total amount of Sr and Ba, and B is the total amount of metal components other than the Ca-containing material, Co-containing material, Sr-containing material and Ba-containing material contained in the raw material mixture.
[0020]
In particular, the element ratio of each component in the raw material mixture is more preferably within the range of the following formula.
[0021]
Ca: Co: A: B = 2.8 to 8: 4: 3 to 30: 0 to 15
There is no particular limitation on the method for preparing the raw material mixture, and any method can be used as long as the above-described components can be sufficiently mixed. However, if necessary, the efficiency of the melt reaction at the time of heating described later can be appropriately pulverized. Can be improved.
In the method of the present invention, first, the raw material mixture is heated and melted. As for the heating conditions, any material may be used as long as the raw material mixture is melted into a uniform solution state. However, in order to prevent contamination from the melting container and evaporation of the raw material components, for example, when an alumina crucible is used. Is preferably heated to about 650 to 1000 ° C. and melted. There is no particular limitation on the heating time, and the heating may be performed until the raw material mixture becomes a uniform solution, and the heating time is usually about 1 to 3 hours.
[0022]
It does not specifically limit as a heating means, Arbitrary means, such as an electric heating furnace and a gas heating furnace, are employable. The atmosphere at the time of melting may be an oxygen-containing atmosphere such as in air or an oxygen stream. However, when the source material contains a sufficient amount of oxygen, the atmosphere may be melted in an inert atmosphere.
[0023]
The above-described method is a so-called flux method, in which a part of the components contained in the raw material mixture is melted by heating, and the entire raw material is in a solution state due to its chemical change, dissolving action, etc. By cooling the raw material substance in a solution state, a target single crystal can be grown using a supersaturated state accompanying cooling. At this time, since a single crystal of a complex oxide containing Ca and Co having a solid phase composition that is in phase equilibrium with a solution formed by melting the raw material grows, the melt phase and the solid phase ( The ratio of the Ca-containing material and the Co-containing material in the raw material can be determined according to the composition of the target composite oxide single crystal.
[0024]
Next, the molten mixture is cooled and solidified to form a complex oxide single crystal. The size and yield of the formed complex oxide single crystal can vary depending on the type and composition ratio of the raw material, the composition of the molten component, the cooling rate, etc., for example, the sample solidifies at a cooling rate of 20 ° C. or less per hour. Can be obtained, a single crystal having a plate-like shape with a length and width of about 2 mm or more and a thickness of about 1 to 50 μm can be obtained, and the yield is expected from the charged composition in the Co ion ratio. It becomes a high value of about 40% or more of the maximum value. Furthermore, if the cooling rate is slowed, the single crystal can be made larger.
[0025]
Next, the composite oxide single crystal represented by the general formula: Ca 2.8 to 4 Co 4 O 8.8 to 12 is removed from the solidified product formed by cooling by removing components other than the target composite oxide single crystal. Can be obtained.
[0026]
As a method for removing components other than the target product, for example, water-soluble components adhering to the composite oxide single crystal, such as chlorides, are repeatedly washed with distilled water and filtered, and if necessary washed with ethanol. By using in combination, it can be removed from the object. Since the water-insoluble residue usually exists in the form of powder or granules, it can be removed from the target composite oxide single crystal by, for example, separation using a sieve or the like.
[0027]
The obtained complex oxide single crystal becomes a single crystal having a layered structure, and the Seebeck coefficient (S) is equivalent to that of a polycrystal having the same composition, and becomes 90 μV / K or more at a temperature of 500 K or more.
[0028]
Further, the composite oxide single crystal has a high electrical conductivity due to being a single crystal, and exhibits a non-metallic behavior in which the electrical conductivity increases as the temperature rises. At a temperature of 300 K or higher, High electrical conductivity of 10 3 S / m or more is exhibited.
[0029]
Thus, the complex oxide single crystal obtained by the method of the present invention has a high Seebeck coefficient and a high electric conductivity at the same time, and can exhibit excellent thermoelectric conversion performance.
[0030]
The composite oxide single crystal obtained by the method of the present invention utilizes the above-described characteristics, for example, a thermoelectric conversion material used at high temperature in the air, for example, p-type, which is impossible with a conventional intermetallic compound material. It can be used effectively as a thermoelectric conversion material. Therefore, by incorporating the complex oxide single crystal into the system as the p-type material of the thermoelectric power generation module, it is possible to effectively use the thermal energy that has been discarded up to now. Moreover, application to a thermoelectric module using the Peltier effect is also possible.
[0031]
FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of a thermoelectric power generation module using a thermoelectric conversion material made of a complex oxide single crystal 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.
[0032]
【The invention's effect】
According to the method of the present invention, a complex oxide single crystal having a high Seebeck coefficient (S) and a high electric conductivity and having an excellent thermoelectric conversion performance can be obtained in a high yield, and a thermoelectric conversion having an excellent performance. Mass production of materials is possible.
[0033]
Moreover, a large single crystal can be produced by slowing the cooling rate, and a large thermoelectric conversion material according to the application can be easily obtained.
[0034]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0035]
Example 1
Calcium carbonate (CaCO 3 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ) and strontium chloride (SrCl 2 ) were sufficiently mixed so that the element ratio of the metal component was Ca: Co: Sr = 3: 4: 18. After that, it was put in an alumina crucible and melted by heating in air at 900 ° C. for 3 hours in an electric furnace.
[0036]
Thereafter, it was cooled at a rate of 6 ° C. per hour, and the solidified product was taken out at room temperature. The obtained solidified product was repeatedly washed with distilled water and filtered three times, and finally washed with ethanol and filtered to obtain a simple compound oxide represented by the formula: Ca 3.4 Co 4 O 9. Crystals were obtained.
[0037]
The X-ray diffraction pattern of the obtained complex oxide single crystal is shown in FIG. FIG. 2 a) is an X-ray diffraction pattern of the above complex oxide single crystal, and b) is a known substance (S. Li et al., J. Mater. Chem., Vol. 9 pp. 1659-1660 (1999)). is a powder X-ray diffraction pattern of Ca 3 Co 4 O 9 polycrystal is. As a result, it was found that the complex oxide single crystal had a layered crystal structure similar to Ca 3 Co 4 O 9 .
[0038]
About the obtained complex oxide single crystal, the graph which shows the temperature dependence of Seebeck coefficient (S) in 300-1000K (absolute temperature) is shown in FIG. FIG. 3 shows that this composite oxide has a Seebeck coefficient exceeding 90 μV / K at a temperature of 500 K or higher, and the Seebeck coefficient increases with increasing temperature. It should be noted that the same temperature dependence was observed in all examples described later, and the Seebeck coefficient exceeded 90 μV / K at a temperature of 500 K or higher.
[0039]
Furthermore, the graph which shows the temperature dependence of the electrical conductivity ((sigma)) in 300-1000K (absolute temperature) of this complex oxide single crystal is shown in FIG. The same temperature dependence is observed in all the examples described later, showing a semiconductor behavior in which the electrical conductivity increases as the temperature rises, and a high electrical conductivity exceeding 10 3 S / m at a temperature of 300 K or higher. Met.
[0040]
Examples 2-83
The heat treatment was performed in the same manner as in Example 1 with the raw material composition, heating temperature, and treatment time shown in Tables 1 to 7.
[0041]
Then, it cools by the cooling rate shown in Table 1-Table 7, takes out the solidified material at room temperature, and is combined with the washing | cleaning and filtration by distilled water, and washing | cleaning and filtration by ethanol similarly to Example 1. An oxide single crystal was obtained.
[0042]
Tables 1 to 7 show the average composition, yield, and measured value of the thermoelectric conversion index (ZT) at 973 K of the composite oxide single crystal obtained in each example. Here, ZT is a value defined by the following equation, and indicates the thermoelectric conversion efficiency of the material. The higher this value, the higher the conversion efficiency. In the present invention, in all Examples, ZT was 973K and a value exceeding 1.0.
[0043]
ZT = S 2 Tσ / κ
S: Seebeck coefficient, T: absolute temperature, σ: electrical conductivity, κ: thermal conductivity
[Table 1]
Figure 0003950956
[0045]
[Table 2]
Figure 0003950956
[0046]
[Table 3]
Figure 0003950956
[0047]
[Table 4]
Figure 0003950956
[0048]
[Table 5]
Figure 0003950956
[0049]
[Table 6]
Figure 0003950956
[0050]
[Table 7]
Figure 0003950956

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a thermoelectric power generation module using a composite oxide single crystal of the present invention as a thermoelectric conversion material.
2 is an X-ray diffraction pattern of a complex oxide single crystal obtained in Example 1. FIG.
3 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the complex oxide single crystal obtained in Example 1. FIG.
4 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity of the composite oxide obtained in Example 1. FIG.

Claims (8)

(1)Ca含有物、(2)Co含有物、並びに(3)Sr含有物及びBa含有物から選ばれた少なくとも一種の成分、を含む原料混合物を加熱して溶融させた後、冷却して組成式:Ca 2.8 4 Co 4 8.8 12 で表される複合酸化物単結晶を成長させることを特徴とする複合酸化物単結晶の製造方法。(1) Ca-containing compound, (2) Co-containing compound, and (3) after at least one component selected from Sr-containing compound and Ba-containing material, heating the raw material mixture comprising melted and cooled A method for producing a complex oxide single crystal, comprising growing a complex oxide single crystal represented by a composition formula: Ca 2.8 to 4 Co 4 O 8.8 to 12 . 原料混合物が、更に、アルカリ金属化合物及びホウ酸から選ばれた少なくとも一種の化合物を含むものである請求項1に記載の複合酸化物単結晶の製造方法。The method for producing a complex oxide single crystal according to claim 1, wherein the raw material mixture further contains at least one compound selected from an alkali metal compound and boric acid. 原料混合物に含まれる金属分の元素比が下記式の範囲内である請求項1又は2に記載の複合酸化物単結晶の製造方法:
Ca:Co:A:B=2.6〜22:4:1〜32:0〜20
(式中、AはSr及びBaの合計量であり、BはCa、Co、Sr及びBa以外の金属分の合計量である。)。
The method for producing a complex oxide single crystal according to claim 1 or 2, wherein the elemental ratio of the metal contained in the raw material mixture is within the range of the following formula:
Ca: Co: A: B = 2.6-22: 4: 1-32: 0-20
(In the formula, A is the total amount of Sr and Ba, and B is the total amount of metals other than Ca, Co, Sr and Ba).
原料混合物の冷却速度が、毎時20℃以下である請求項1〜3のいずれかに記載の複合酸化物単結晶の製造方法The method for producing a complex oxide single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein a cooling rate of the raw material mixture is 20 ° C or less per hour. 請求項1〜のいずれかの方法によって得られる
組成式:Ca2.8 4Co48.8 12
で表される複合酸化物単結晶。
Obtained by the method according to any one of claims 1 to 4.
Composition formula : Ca 2.8 to 4 Co 4 O 8.8 to 12
A complex oxide single crystal represented by:
500K(絶対温度)において90μV/K以上のゼーベック係数を有し、300K(絶対温度)において103S/m以上の電気伝導度を有する請求項に記載の複合酸化物単結晶。The composite oxide single crystal according to claim 5 , which has a Seebeck coefficient of 90 µV / K or more at 500 K (absolute temperature) and an electric conductivity of 10 3 S / m or more at 300 K (absolute temperature). 請求項5又は6に記載の複合酸化物単結晶を含む熱電変換材料。A thermoelectric conversion material comprising the complex oxide single crystal according to claim 5 . 請求項に記載された熱電変換材料を含む熱電発電モジュール。A thermoelectric power generation module comprising the thermoelectric conversion material according to claim 7 .
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