JP5599095B2 - Method for producing organic-inorganic hybrid thermoelectric material - Google Patents

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Description

本発明は、有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法に関する。さらに詳しくは、ゼーベック効果による熱電発電や、ペルチェ効果による電子冷却等のいわゆる熱電変換に利用される有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法に関する。 The present invention, organic - process for producing inorganic hybrid thermoelectric material. More particularly, and thermoelectric power generation using the Seebeck effect, organic Ru is used in so-called thermoelectric conversion such as electronic cooling by Peltier effect - a process for producing inorganic hybrid thermoelectric material.

近年、世界的な地球環境問題への取り組みや、エネルギー資源の有効利用への関心が高まってきている。また、現社会に供給されるエネルギーの一部は、輸送・貯蔵・変換・利用の過程で活用されないまま熱として環境に排出されており、その量は全一次供給エネルギーの実に約2/3に及ぶといわれている。しかもそのエネルギー消費のうち、化石燃料が90%を占めており、21世紀のうちには化石燃料資源が枯渇するという問題も発生してきている。   In recent years, interest in global environmental issues and effective use of energy resources has increased. In addition, a part of the energy supplied to the current society is discharged into the environment as heat without being used in the process of transportation, storage, conversion and use, and the amount is about 2/3 of the total primary supply energy. It is said to extend. In addition, fossil fuels account for 90% of the energy consumption, and the problem that fossil fuel resources will be depleted in the 21st century has also occurred.

かかる環境問題やエネルギー問題を打破する解決策の一つとして熱電変換技術がある。この技術を用いれば、未利用熱エネルギーを利用しやすい電気エネルギーへと直接アップグレードできる「エネルギー・リサイクル」として使用できる可能性がある。熱電変換技術とは、異なる2種の金属やp型半導体とn型半導体等の熱電変換材料に温度差を与えると、両端に熱起電力が発生するゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを直接電力に変換する技術であり、モーターやタービン等の可動部が全くなく、また、老廃物も発生しないという優れた特徴を有している。   One of solutions for overcoming such environmental problems and energy problems is thermoelectric conversion technology. If this technology is used, there is a possibility that it can be used as “energy recycling” that can directly upgrade unused thermal energy to electrical energy that is easy to use. With thermoelectric conversion technology, when a temperature difference is given to two different types of metals or thermoelectric conversion materials such as p-type semiconductors and n-type semiconductors, thermal energy is directly generated using the Seebeck effect that generates thermoelectromotive force at both ends. This technology converts power into electric power, has no moving parts such as motors and turbines, and has an excellent feature that no waste is generated.

熱電変換技術に使用される熱電材料(熱電変換材料とも呼ばれる。)は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる材料であり、熱電冷却素子や熱電発電素子として利用される熱電変換素子を構成する材料である。そして、熱電材料においてその特性を評価するにあたり、以下式(I)及び式(II)で表される物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が使用される。ここで、Sはゼーベック係数、σは電気伝導度(導電率)、κは熱伝導度、Tは絶対温度、をそれぞれ示す。また、式(I)及び式(II)におけるSσは、パワーファクターとも呼ばれる。 Thermoelectric materials (also called thermoelectric conversion materials) used in thermoelectric conversion technology are materials that can mutually convert heat energy and electrical energy, and are used as thermoelectric cooling elements and thermoelectric power generation elements. It is a material that constitutes. And in evaluating the characteristic in a thermoelectric material, the physical internal factor (TPF) and thermoelectric figure of merit (ZT) which are represented by the following formulas (I) and (II) are used. Here, S represents the Seebeck coefficient, σ represents electrical conductivity (conductivity), κ represents thermal conductivity, and T represents absolute temperature. Further, S 2 σ in the formulas (I) and (II) is also called a power factor.

Figure 0005599095
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式(I)及び式(II)より、熱電材料の熱電変換性能を高めるためには、ゼーベック係数や電気伝導度を高くし、熱伝導度を低くすればよいことがわかる。一方、これらの物理量は1つの材料において個別に改良できるものではなく、1つの特性を向上させると他の特性のうちの1つは低下する関係にあり、例えば、電気伝導度やゼーベック定数を高くすれば、それに伴って熱伝導度も高くなってしまうことが多い。   From formula (I) and formula (II), it can be seen that in order to increase the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric material, the Seebeck coefficient and electrical conductivity should be increased and the thermal conductivity should be decreased. On the other hand, these physical quantities cannot be improved individually in one material, but when one characteristic is improved, one of the other characteristics is reduced. For example, the electrical conductivity and Seebeck constant are increased. If so, the thermal conductivity often increases accordingly.

一般に、無機材料(無機熱電材料)は、ゼーベック係数や電気伝導度が高く、熱伝導度が高いという問題がある。一方、有機材料(有機熱電材料)は、熱伝導度が低いという利点がある。かかる無機材料と有機材料をハイブリッド化することにより、有機材料と無機材料の2種類の性質を同時に発現させることができ、低い熱伝導度を持ち、高いゼーベック係数や電気伝導度を持つ高い熱電変換機能を有する熱電材料の合成が可能と考えられる。そして、無機材料と有機材料をハイブリッド化した有機−無機ハイブリッド熱電材料の開発が進められている(例えば、特許文献1を参照。)。   In general, an inorganic material (inorganic thermoelectric material) has a problem that the Seebeck coefficient and electrical conductivity are high and the thermal conductivity is high. On the other hand, an organic material (organic thermoelectric material) has an advantage of low thermal conductivity. By hybridizing such an inorganic material and an organic material, two types of properties of the organic material and the inorganic material can be developed at the same time. The thermoelectric conversion has a low thermal conductivity and a high Seebeck coefficient and electrical conductivity. It is considered possible to synthesize a thermoelectric material having a function. And development of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material which hybridized the inorganic material and the organic material is advanced (for example, refer patent document 1).

特許第4296236号公報Japanese Patent No. 4296236

しかしながら、従来の熱電材料は、ハイブリッド化した際に、低い熱伝導度ととともに、高いゼーベック係数や電気伝導度を有し、安定した熱電特性を発揮することが困難であった。   However, conventional thermoelectric materials have a high Seebeck coefficient and electrical conductivity as well as low thermal conductivity when hybridized, and it has been difficult to exhibit stable thermoelectric properties.

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、低い熱伝導度とともに、高いゼーベック係数や電気伝導度を有し、優れた熱電特性を安定して発揮することができる有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, low with heat conductivity, high Seebeck has a coefficient and electric conductivity, good thermal conductive properties and stable organic that can be exerted - The object is to provide a method for producing an inorganic hybrid thermoelectric material.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法は、平均粒子径が1〜100nmであり、Bi−(Te、Se)系、Si−Ge系、Pb−Te系、GeTe−AgSbTe系、(Co、Ir、Ru)−Sb系及び(Ca、Sr、Bi)Co系から選ばれた少なくとも1種で、保護剤が実質的に存在しない無機粒子であり、当該無機粒子に対応する前駆体、保護剤及び溶媒を混合後、前記保護剤の分解温度以上で加熱して前記無機粒子の分散溶液を調製し、当該分散溶液を精製して粉末化することにより得られる無機粒子と、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリアセン若しくはその誘導体、及びこれらの共重合体から選ばれた少なくとも1種の有機熱電材料を混合することを特徴とする。 The method for producing an organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention has an average particle diameter of 1 to 100 nm, Bi— (Te, Se), Si—Ge, Pb—Te, GeTe—AgSbTe, Co, Ir, Ru) -Sb-based and (Ca, Sr, Bi) Co 2 O 5- based inorganic particles that are substantially free of a protective agent and correspond to the inorganic particles. After mixing the precursor, the protective agent, and the solvent, heated above the decomposition temperature of the protective agent to prepare a dispersion solution of the inorganic particles, the inorganic particles obtained by purifying and dispersing the dispersion solution, Polyaniline or derivative thereof, polypyrrole or derivative thereof, polythiophene or derivative thereof, polyphenylene vinylene derivative, polyparaphenylene derivative, polyacene or derivative thereof Body, and characterized by mixing at least one organic thermoelectric material selected from these copolymers.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法は、前記した本発明において、前記有機熱電材料がポリアニリンであり、当該ポリアニリンと、前記無機粒子と、カンファスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、トルエンスルホン酸及びリン酸から選ばれた少なくとも1種と、m−クレゾールを混合することを特徴とする。   The method for producing an organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is the above-described present invention, wherein the organic thermoelectric material is polyaniline, the polyaniline, the inorganic particles, camphorsulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, toluenesulfonic acid. And m-cresol is mixed with at least one selected from phosphoric acid.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法は、前記した本発明において、前記無機粒子がテルル化ビスマス(BiTe)であり、前記無機粒子に対応する前駆体が四塩化テルルまたはテトラエトキシテルル、及び塩化ビスマスであり、前記保護剤がポリビニルピロリドン(PVP)であり、前記溶媒がテトラエチレングリコールであり、前記保護剤の分解温度が230℃であることを特徴とする。 In the method for producing an organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the inorganic particles are bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) in the present invention described above, and the precursor corresponding to the inorganic particles is tellurium tetrachloride or Tetraethoxytellurium and bismuth chloride, the protective agent is polyvinylpyrrolidone (PVP), the solvent is tetraethylene glycol, and the decomposition temperature of the protective agent is 230 ° C.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法は、前記した本発明において、膜状に成形することを特徴とする。   The method for producing an organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is characterized in that it is formed into a film shape in the above-described present invention.

本発明で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料は、無機熱電材料として、平均粒子径が1〜100nmであり、保護剤が実質的に存在しない無機粒子を用いているので、無機粒子が有機熱電材料同士の隙間に効率よく入り込んで分散することができ、優れた熱電特性を安定して保持し、高いゼーベック係数や電気伝導度、低い熱伝導度を有することにより、物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が優れた熱電材料となる。また、構成材料として有機高分子材料である有機熱電材料を用いているので、加工性も良好な熱電材料となり、例えば、薄膜化も容易に行うことができ、良好な熱電特性を具備する熱電変換素子や熱電変換モジュールを容易に製造可能となり、加えて、熱センサー、熱電冷却装置等の熱電変換技術を利用した各種製品に適用することができる。 The organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in the present invention uses inorganic particles having an average particle diameter of 1 to 100 nm and substantially no protective agent as the inorganic thermoelectric material. It is able to efficiently enter and disperse into the gaps between materials, stably maintain excellent thermoelectric properties, and have high Seebeck coefficient, electrical conductivity, and low thermal conductivity, so that it is a physical internal factor (TPF) And a thermoelectric material having an excellent thermoelectric figure of merit (ZT). In addition, since an organic thermoelectric material, which is an organic polymer material, is used as a constituent material, it becomes a thermoelectric material with good workability, for example, a thin film can be easily formed, and a thermoelectric conversion having good thermoelectric properties. Elements and thermoelectric conversion modules can be easily manufactured, and in addition, they can be applied to various products using thermoelectric conversion technology such as thermal sensors and thermoelectric cooling devices.

また、熱電変換素子は、前記した本発明で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料を用いているので、かかる熱電材料の効果を享受し、優れた熱電特性を安定して保持し、高いゼーベック係数や電気伝導度、低い熱伝導度を有することにより、物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が優れた熱電変換素子となる。 In addition , since the thermoelectric conversion element uses the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in the above-described present invention, the thermoelectric conversion element enjoys the effect of such a thermoelectric material, stably maintains excellent thermoelectric characteristics, and has high Seebeck. By having a coefficient, electrical conductivity, and low thermal conductivity, a thermoelectric conversion element having excellent physical internal factor (TPF) and thermoelectric figure of merit (ZT) is obtained.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法は、平均粒子径が1〜100nmであり、保護剤が実質的に存在しない無機粒子と特定の有機熱電材料を混合するようにしているので、有機熱電材料のマトリックスの中に平均粒子径の小さい無機粒子が分散し、また、無機粒子が有機熱電材料の構成元素に配位し、高いゼーベック係数や電気伝導度、低い熱伝導度を有することにより、物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が優れた熱電材料を効率よくかつ簡便に提供することができる。   In the method for producing an organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the average particle diameter is 1 to 100 nm, and inorganic particles substantially free of a protective agent are mixed with a specific organic thermoelectric material. Inorganic particles with a small average particle diameter are dispersed in the matrix of organic thermoelectric material, and the inorganic particles are coordinated to the constituent elements of the organic thermoelectric material, and have a high Seebeck coefficient, electrical conductivity, and low thermal conductivity. Thus, a thermoelectric material having excellent physical internal factor (TPF) and thermoelectric figure of merit (ZT) can be provided efficiently and simply.

実施例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料のゼーベック係数を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the Seebeck coefficient of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 1. 実施例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の電気伝導度を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the electrical conductivity of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 1. 実施例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の熱電性能指数(ZT)を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a thermoelectric figure of merit (ZT) of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 1. 実施例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料のパワーファクターを示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the power factor of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 1. 比較例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料のゼーベック係数を示した図である。It is the figure which showed the Seebeck coefficient of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained by the comparative example 1. 比較例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の電気伝導度を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the electrical conductivity of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の熱電性能指数(ZT)を示した図である。It is the figure which showed the thermoelectric figure of merit (ZT) of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料のパワーファクターを示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the power factor of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Comparative Example 1. 実施例4で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の電気伝導度を示した図である。6 is a graph showing the electrical conductivity of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 4. FIG. 実施例5で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料のゼーベック係数を示した図である。It is the figure which showed the Seebeck coefficient of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 5. 実施例5で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の電気伝導度を示した図である。6 is a graph showing the electrical conductivity of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 5. FIG. 実施例5で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料の熱電性能指数(ZT)を示した図である。6 is a graph showing a thermoelectric figure of merit (ZT) of an organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 5. FIG. 実施例5で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料のパワーファクターを示した図である。6 is a diagram showing the power factor of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained in Example 5. FIG.

以下、本発明の一態様を説明する。本発明の有機−無機ハイブリッド熱電材料は、平均粒子径が1〜100nmであり、保護剤が実質的に存在しない無機粒子と、有機熱電材料を基本構成とする。   Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described. The organic-inorganic hybrid thermoelectric material of the present invention has an average particle diameter of 1 to 100 nm, and is basically composed of inorganic particles substantially free of a protective agent and an organic thermoelectric material.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料(以下、単に「熱電材料」とする場合もある。)で使用することができる無機粒子は、単体で高いゼーベック係数、高い電気伝導度を有する無機熱電材料であるBi−(Te、Se)系、Si−Ge系、Pb−Te系、GeTe−AgSbTe系、(Co、Ir、Ru)−Sb系、(Ca、Sr、Bi)Co系などを挙げることができ、これらの特性に優れ、また、n型、またはp型の熱電材料となることができ、p型熱電材料となる有機熱電材料と良好にハイブリッド化することが可能なテルル化ビスマス(BiTe)を使用することが好ましい。 The inorganic particles that can be used in the organic-inorganic hybrid thermoelectric material (hereinafter sometimes simply referred to as “thermoelectric material”) according to the present invention are an inorganic thermoelectric material having a high Seebeck coefficient and a high electrical conductivity. Bi- (Te, Se) system, Si-Ge system, Pb-Te system, GeTe-AgSbTe system, (Co, Ir, Ru) -Sb system, (Ca, Sr, Bi) Co 2 O 5 system, etc. Tellurization which is excellent in these characteristics, can be an n-type or p-type thermoelectric material, and can be well hybridized with an organic thermoelectric material to be a p-type thermoelectric material Bismuth (Bi 2 Te 3 ) is preferably used.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料で使用される無機粒子は、平均粒子径が1〜100nmであり、平均粒子径をかかる範囲(ナノオーダーにおいても比較的小さい粒子径の範囲)とすることにより、状態密度(DOS)が上昇して熱起電力が増大して、バルクに比べて式(II)で表される熱電性能指数(ZT)が大幅に上昇するため、熱電特性の向上を図ることができる。加えて、高分子である有機熱電材料への分散性が向上して、安定した熱電特性を有し、ハイブリッド化した際にも、無機熱電材料の有する特性的な長所(高いゼーベック係数や電気伝導率)を付与することができる。一方、平均粒子径が100nmを超えると、状態密度(DOS)の上昇が期待できず、また、分散性も悪く、熱電特性も不安定となる。平均粒子径は、1〜50nmとすることがより好ましく、1〜20nmとすることがさらに好ましく、1〜10nmとすることが特に好ましい。なお、本発明における「平均粒子径」とは、例えば、TEMやSEM等で観察された適当数(例えば、100個等)の一次粒子の粒子径の平均値とすればよい。ここで、熱電材料においてその特性を評価する指標としては、前記したように式(I)及び式(II)で算出される物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)であり、また、本発明のハイブリッド熱電材料について、高いゼーベック係数や電気伝導度とは、ゼーベック係数と電気伝導度の少なくとも一方が高くなることを示す。よって、ゼーベック係数や電気伝導度は、両方の値が高いものとなる場合もあるが、一方の値が高くなり、その結果、式(I)及び式(II)で算出される物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が高くなり、優れた熱電特性を示すことになる場合もある。   The inorganic particles used in the organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention have an average particle size of 1 to 100 nm, and the average particle size is in such a range (a relatively small particle size range in the nano-order). As a result, the density of states (DOS) increases, the thermoelectromotive force increases, and the thermoelectric figure of merit (ZT) represented by the formula (II) significantly increases compared to the bulk, thereby improving the thermoelectric characteristics. be able to. In addition, dispersibility in organic thermoelectric materials, which are polymers, has improved, stable thermoelectric properties, and even when hybridized, the characteristic advantages of inorganic thermoelectric materials (high Seebeck coefficient and electrical conductivity) Rate). On the other hand, if the average particle diameter exceeds 100 nm, an increase in the density of states (DOS) cannot be expected, the dispersibility is poor, and the thermoelectric characteristics become unstable. The average particle diameter is more preferably 1 to 50 nm, further preferably 1 to 20 nm, and particularly preferably 1 to 10 nm. The “average particle size” in the present invention may be an average value of the particle sizes of an appropriate number (for example, 100 particles) of primary particles observed by TEM, SEM or the like. Here, the index for evaluating the characteristics of the thermoelectric material is the physical internal factor (TPF) or the thermoelectric figure of merit (ZT) calculated by the formulas (I) and (II) as described above. In the hybrid thermoelectric material of the present invention, a high Seebeck coefficient and electrical conductivity indicate that at least one of the Seebeck coefficient and electrical conductivity is increased. Therefore, both the Seebeck coefficient and the electrical conductivity may be high in some cases, but one value becomes high, and as a result, the physical internal factor calculated by the formula (I) and the formula (II). (TPF) and thermoelectric figure of merit (ZT) become high and may show excellent thermoelectric characteristics.

また、かかる無機粒子は、保護剤が実質的に存在しない。化学的に合成した無機粒子を熱電変換材料に応用する場合には、無機粒子の表面に存在する保護剤が原因でキャリアの受け渡しが困難になり、熱電特性に悪影響を及ぼすことになるので、無機粒子に保護剤が実質的に存在しないようにする。これにより、キャリアの受け渡しを良好にし、平均粒子径を1〜100nmとすることとあわせ、熱電特性の向上を図ることができる。なお、ここでいう保護剤とは、無機粒子の合成で一般的に使用される保護剤、例えば、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリエチレンイミン(PEI)、ポリアクリル酸、ポリビニルアミン、ポリビニルアルコール、いわゆる楔(くさび)型配位ポリマー等が挙げられる。   Further, such inorganic particles are substantially free of a protective agent. When applying chemically synthesized inorganic particles to thermoelectric conversion materials, it becomes difficult to deliver carriers due to the protective agent present on the surface of the inorganic particles, which adversely affects thermoelectric properties. Ensure that the particles are substantially free of protective agents. Thereby, it is possible to improve the thermoelectric characteristics in combination with good carrier delivery and an average particle diameter of 1 to 100 nm. The term “protective agent” as used herein means a protective agent generally used in the synthesis of inorganic particles, such as polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneimine (PEI), polyacrylic acid, polyvinylamine, polyvinyl alcohol, so-called wedges. (Wedge) type coordination polymer and the like.

本発明において、「実質的に含有しない」とは、発明の効果に影響のない程度の微量の保護剤を意図的に添加して、本発明の技術的範囲に属さないようにする行為を排除し、かかる微量の保護剤を意図的に添加した場合であっても、本発明の技術的範囲に属するようにする主旨であり、例えば、保護剤の含有量が熱電材料全体の0.1質量%以下であることをいい、好ましくは保護剤の含有量が0.01質量%以下、より好ましくは、保護剤を全く含有しない(含有量が0質量%)ことをいう。   In the present invention, “substantially free” excludes the act of intentionally adding a trace amount of a protective agent that does not affect the effect of the invention so that it does not fall within the technical scope of the present invention. However, even when such a small amount of protective agent is intentionally added, the purpose is to make it belong to the technical scope of the present invention. For example, the content of the protective agent is 0.1 mass of the whole thermoelectric material. %, Preferably the content of the protective agent is 0.01% by mass or less, and more preferably, it contains no protective agent at all (the content is 0% by mass).

なお、無機粒子の合成で保護剤が必要とされる場合は多いが、本発明に係る熱電材料で使用するにあっては、合成段階において保護剤の分解温度(例えば、ポリビニルピロリドンであれば約230℃)以上で加熱し、保護剤を除去して、実質的に存在しないようにすればよい。   In many cases, a protective agent is required in the synthesis of the inorganic particles. However, when used in the thermoelectric material according to the present invention, the decomposition temperature of the protective agent (for example, about about polyvinylpyrrolidone is used in the synthesis stage). 230 ° C.) or higher to remove the protective agent so that it does not substantially exist.

無機粒子の合成は、例えば、無機粒子に対応する前駆体、保護剤及び溶媒を混合後、前記保護剤の分解温度以上で加熱(好ましくは加熱環流)して無機粒子の分散溶液を調製し、当該分散溶液を精製して粉末化することにより得ることができる。ここで、無機粒子の平均粒子径を、1〜100nmの範囲に好適に制御するためには、凝集の抑制や分解物の適切な除去を実施する必要があり、例えば、前駆体のモル数の和に対する保護剤を構成するモノマーのモル数とのモル比rを、保護剤を構成するモノマーのモル数/前駆体のモル数の和=1以上(好ましくは2〜10)(平均粒子径を1〜10nmとする場合にはr=4以上)、加熱ないし加熱還流を短い時間で行い(概ね30〜90分)、加熱ないし加熱還流の終了後は水冷等の強制的な冷却を行わず、空冷等により自然冷却することが好ましい。   For the synthesis of inorganic particles, for example, a precursor corresponding to the inorganic particles, a protective agent and a solvent are mixed, and then heated above the decomposition temperature of the protective agent (preferably heated reflux) to prepare a dispersion solution of inorganic particles, It can be obtained by purifying the dispersion solution into powder. Here, in order to suitably control the average particle diameter of the inorganic particles in the range of 1 to 100 nm, it is necessary to suppress aggregation and appropriately remove the decomposition products, for example, the number of moles of the precursor The molar ratio r to the number of moles of the monomer constituting the protective agent relative to the sum is the sum of the number of moles of the monomer constituting the protective agent / the number of moles of the precursor = 1 or more (preferably 2 to 10) (the average particle size is In the case of 1 to 10 nm, r = 4 or more), heating or heating reflux is performed in a short time (approximately 30 to 90 minutes), and forced cooling such as water cooling is not performed after completion of heating or heating reflux, Natural cooling by air cooling or the like is preferable.

なお、精製については、遠心分離により溶媒をエタノール等のアルコールに置換するとともに、保護剤の分解物を除去する。その後、溶媒のアルコールを除去して、乾燥するようにすればよい。   For purification, the solvent is replaced with an alcohol such as ethanol by centrifugation and the decomposition product of the protective agent is removed. Thereafter, the solvent alcohol may be removed and dried.

ここで、例えば、テルル化ビスマス(BiTe)を合成する場合には、無機粒子(テルル化ビスマス)に対応する前駆体を四塩化テルルまたはテトラエトキシテルル(あるいはこの両方)、及び塩化ビスマスとして、これらと保護剤であるポリビニルピロリドン(PVP)と、溶媒としてテトラエチレングリコール(TEG)を混合して、窒素気流下でポリビニルピロリドン(PVP)の分解温度である230℃以上で加熱(好ましくは加熱還流)を行い、精製することにより、平均粒子径が1〜100nmのテルル化ビスマスを好適に製造することができる。精製においては、アルゴン下での遠心分離の際にテトラエチレングリコール(TEG)からエタノール等のアルコールに溶媒置換するとともに、分解したポリビニルピロリドン(PVP)を除去するようにする。そして、減圧乾燥等の乾燥を行うことにより、所望の平均粒子径の熱電材料を得ることができる。また、モル比r(保護剤を構成するモノマーのモル数/前駆体のモル数の和)=4以上とすることが好ましい。 Here, for example, when synthesizing bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ), precursors corresponding to inorganic particles (bismuth telluride) are made of tellurium tetrachloride or tetraethoxytellurium (or both), and bismuth chloride. These are mixed with polyvinylpyrrolidone (PVP) which is a protective agent and tetraethylene glycol (TEG) as a solvent, and heated at 230 ° C. or higher which is a decomposition temperature of polyvinylpyrrolidone (PVP) under a nitrogen stream (preferably By heating and refluxing and purifying, bismuth telluride having an average particle diameter of 1 to 100 nm can be suitably produced. In the purification, the solvent is substituted from tetraethylene glycol (TEG) to an alcohol such as ethanol during centrifugation under argon, and the decomposed polyvinyl pyrrolidone (PVP) is removed. And the thermoelectric material of a desired average particle diameter can be obtained by drying, such as reduced pressure drying. The molar ratio r (number of moles of monomers constituting the protective agent / sum of moles of precursors) is preferably 4 or more.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料で使用することができる有機熱電材料は、例えば、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリアセン若しくはその誘導体、及びこれらの材料の共重合体などを挙げることができ、特に、導電性高分子であり、熱電特性に優れるポリアニリンやポリピロールを使用することが好ましく、また、無機粒子の熱起電力を無限に引き出すことができる、n型のポリアセンを使用するようにしてもよい。なお、かかる有機熱電材料の合成は、従来公知の重合方法を実施すればよく、特に制限されない。   Organic thermoelectric materials that can be used in the organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention include, for example, polyaniline or a derivative thereof, polypyrrole or a derivative thereof, polythiophene or a derivative thereof, a polyphenylene vinylene derivative, a polyparaphenylene derivative, a polyacene or a derivative thereof Derivatives and copolymers of these materials can be mentioned, and in particular, polyaniline and polypyrrole, which are conductive polymers and excellent in thermoelectric properties, are preferably used, and the thermoelectric power of inorganic particles is infinite. N-type polyacene, which can be extracted into the following, may be used. In addition, the synthesis | combination of this organic thermoelectric material should just implement a conventionally well-known polymerization method, and is not restrict | limited in particular.

無機粒子と有機熱電材料のモル比R(Rは無機粒子に対する有機熱電材料のモル比であり、R=有機熱電材料/無機粒子)は、特に制限はなく、必要とされる特性等に応じて適宜調整すればよいが、R=0.001〜1000とすることが好ましく、得られる有機−無機ハイブリッド熱電材料の加工性を優れた状態とするには、R=1〜500とすることが特に好ましい。   The molar ratio R between the inorganic particles and the organic thermoelectric material R (R is the molar ratio of the organic thermoelectric material to the inorganic particles, R = organic thermoelectric material / inorganic particles) is not particularly limited, and depends on the required characteristics and the like. What is necessary is just to adjust suitably, but it is preferable to set it as R = 0.001-1000, and it is especially set as R = 1-500 in order to make the workability of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained excellent. preferable.

本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料を製造するには、前記した無機粒子と有機熱電材料を混合することにより得ることができる。無機粒子と有機熱電材料を混合することにより、有機熱電材料のマトリックスの中に平均粒子径が1〜100nmの無機粒子が分散し、また、無機粒子が有機熱電材料の構成元素に配位する。ここで、本発明にあっては、平均粒子径がこのように小さいので、有機熱電材料同士の隙間に無機粒子が効率よく入り込むことができ、凝集も起こりにくく、無機粒子が有機熱電材料を介して電気的に導通可能となり、高いゼーベック係数や電気伝導度、低い熱伝導度を有することになり、物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が優れた熱電材料となる。例えば、有機熱電材料がポリアニリンである場合には、ポリアニリン中の窒素(N)に、無機粒子が配位していることになる。   The organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention can be obtained by mixing the above-described inorganic particles and the organic thermoelectric material. By mixing the inorganic particles and the organic thermoelectric material, the inorganic particles having an average particle diameter of 1 to 100 nm are dispersed in the matrix of the organic thermoelectric material, and the inorganic particles are coordinated to the constituent elements of the organic thermoelectric material. Here, in the present invention, since the average particle diameter is thus small, the inorganic particles can efficiently enter the gaps between the organic thermoelectric materials, and aggregation is unlikely to occur. Therefore, it has a high Seebeck coefficient, electrical conductivity, and low thermal conductivity, and becomes a thermoelectric material having excellent physical internal factor (TPF) and thermoelectric figure of merit (ZT). For example, when the organic thermoelectric material is polyaniline, inorganic particles are coordinated with nitrogen (N) in the polyaniline.

無機粒子と有機熱電材料との混合は、有機熱電材料が溶解ないし分散可能な溶媒中で混合することにより行うことが好ましい。有機熱電材料を溶媒に溶解ないし分散させた状態で無機粒子と混合し、混合後に溶媒を除去して熱電材料を得るようにすれば、有機熱電材料中に無機粒子を均一に分散させることができる。   The mixing of the inorganic particles and the organic thermoelectric material is preferably performed by mixing in a solvent in which the organic thermoelectric material can be dissolved or dispersed. If the organic thermoelectric material is dissolved or dispersed in a solvent and mixed with inorganic particles, and the solvent is removed after mixing to obtain the thermoelectric material, the inorganic particles can be uniformly dispersed in the organic thermoelectric material. .

なお、溶媒の選択は、有機熱電材料が溶解可能であることはもちろんであるが、無機粒子の有機熱電材料への配位に悪影響を及ぼさないもの(無機粒子と強い相互作用を起こさない溶媒)を使用することが好ましい。前記した有機熱電材料であれば、ポリアニリン若しくはその誘導体の場合は、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)等の少なくとも1種を使用することができ、ポリピロール若しくはその誘導体の場合は、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)、n−ブタノール、酢酸エチル等の少なくとも1種を使用することができる。   In addition, the selection of the solvent is not limited to the fact that the organic thermoelectric material can be dissolved, but it does not adversely affect the coordination of the inorganic particles to the organic thermoelectric material (a solvent that does not cause strong interaction with the inorganic particles). Is preferably used. In the case of the above-described organic thermoelectric material, at least one of 1,4-dioxane, tetrahydrofuran (THF) and the like can be used in the case of polyaniline or a derivative thereof, and 1,4 in the case of polypyrrole or a derivative thereof. -At least 1 sort (s), such as a dioxane, tetrahydrofuran (THF), n-butanol, and ethyl acetate, can be used.

また、前記に挙げた有機熱電材料のうち、ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン、ポリパラフェニレン、ポリアセンについては、溶媒に極めて溶解しにくいので、アルキル基、カルボン酸基、スルホン酸基、またはそのエステルなど導入した誘導体を用いるのが好ましい。また、ポリアセンは、溶媒に溶解させることができないので、前駆体(レゾール樹脂)の状態で無機粒子と混合した後、熱処理を施し、レゾール樹脂をポリアセンとすることが好ましい。   Of the organic thermoelectric materials listed above, polythiophene, polyphenylene vinylene, polyparaphenylene, and polyacene are very difficult to dissolve in a solvent, so alkyl groups, carboxylic acid groups, sulfonic acid groups, or esters thereof have been introduced. Derivatives are preferably used. In addition, since polyacene cannot be dissolved in a solvent, it is preferable that after mixing with inorganic particles in the state of a precursor (resole resin), heat treatment is performed so that the resole resin is polyacene.

有機熱電材料は、必要に応じて、カンファスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、トルエンスルホン酸、リン酸等のドーパントをドーピングしたものを使用するようにしてもよい。これらは1種を単独で使用してもよく、また、2種以上を組み合わせて使用してもよい。特に、有機熱電材料としてポリアニリンを使用する場合には、無機粒子と混合するにあたり、前記したドーパントとなるカンファスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、トルエンスルホン酸、リン酸(カンファスルホン酸が好ましい)とm−クレゾールを一緒に混合することにより(直接配位法)、溶媒や保護剤の悪影響を受けることなく、無機粒子の配位が効率よく実施され、また、キャスティング等の製膜化も容易に行うことができる。   As the organic thermoelectric material, a material doped with a dopant such as camphorsulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, phosphoric acid or the like may be used as necessary. These may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type. In particular, when polyaniline is used as the organic thermoelectric material, when mixed with inorganic particles, camphorsulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, phosphoric acid (preferably camphorsulfonic acid) and m- By mixing cresols together (direct coordination method), inorganic particles can be coordinated efficiently without being adversely affected by solvents and protective agents, and filming such as casting can be easily performed. Can do.

かかる直接配位法で得られた有機−無機ハイブリッド熱電材料は、不純物(後記する溶液配位法における1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)や水溶性ポリアニリン法における水溶性ポリアニリン)の存在がなく、また、無機粒子の分散性も高いため、安定した熱電特性を得ることができる。   The organic-inorganic hybrid thermoelectric material obtained by the direct coordination method is free of impurities (1,4-dioxane, tetrahydrofuran (THF) in the solution coordination method described later, and water-soluble polyaniline in the water-soluble polyaniline method). In addition, since the dispersibility of the inorganic particles is high, stable thermoelectric characteristics can be obtained.

また、有機熱電材料としてポリアニリンを使用する場合には、あらかじめ1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)等の溶媒に溶解させたポリアニリンと無機粒子を混合した後、前記したカンファスルホン酸等のドーパントとm−クレゾールを混合することにより(溶液配位法)、m−クレゾールに溶媒置換して、有機−無機ハイブリッド熱電
材料を得るようにしてもよい。
When polyaniline is used as the organic thermoelectric material, after mixing polyaniline and inorganic particles previously dissolved in a solvent such as 1,4-dioxane and tetrahydrofuran (THF), the above-described dopant such as camphorsulfonic acid and the like An organic-inorganic hybrid thermoelectric material may be obtained by mixing m-cresol (solution coordination method) and replacing the solvent with m-cresol.

そして、有機熱電材料としてポリアニリンを使用する場合には、無機粒子を製造するにあたり使用される保護剤として、重量平均分子量が10000以下(好ましくは5000〜500)の水溶性ポリアニリンを用いて、水溶性ポリアニリンで被覆した無機粒子として、これを無機粒子と混合するにあたり、前記したドーパント(カンファスルホン酸が好ましい)とm−クレゾールを一緒に混合することにより(水溶性ポリアニリン法で被覆したテルル化ビスマスを用いた方法:水溶性ポリアニリン法)、有機−無機ハイブリッド熱電材料を得るようにしてもよい。   When polyaniline is used as the organic thermoelectric material, a water-soluble polyaniline having a weight average molecular weight of 10,000 or less (preferably 5000 to 500) is used as a protective agent used in the production of inorganic particles. As inorganic particles coated with polyaniline, in mixing this with inorganic particles, the above-mentioned dopant (preferably camphorsulfonic acid) and m-cresol are mixed together (bismuth telluride coated by the water-soluble polyaniline method). Method used: water-soluble polyaniline method), an organic-inorganic hybrid thermoelectric material may be obtained.

なお、重量平均分子量が10000以下のポリアニリンは溶解性が非常に高く、エタノールなどのアルコールに可溶であり、また、水を溶媒とした場合であっても、塩酸などを加え溶媒中にプロトンを存在させることにより、ポリアニリン中のアミンがプロトネーションし親水性となるが、これは低分子量のポリアニリン特有の現象である。   Polyaniline having a weight average molecular weight of 10,000 or less is very soluble and soluble in alcohols such as ethanol. Even when water is used as a solvent, hydrochloric acid or the like is added to protons in the solvent. When present, the amine in the polyaniline is protonated and becomes hydrophilic, which is a phenomenon peculiar to low molecular weight polyaniline.

製造される有機−無機ハイブリッド熱電材料の形態としては、有機熱電材料を構成材料とした、加工性の高い材料であることを生かし、厚さが概ね3μm〜0.5mm(好ましくは5μm〜50μm)の膜状(薄膜状)に成形することが好ましい。ここで、有機−無機ハイブリッド熱電材料の形態を膜状(薄膜状)とするための塗布手段としては、例えば、キャスティング、スピンコート、ディッピング、インクジェット等を挙げることができる。   As the form of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material to be manufactured, the thickness is approximately 3 μm to 0.5 mm (preferably 5 μm to 50 μm), taking advantage of the high workability material made of the organic thermoelectric material. It is preferable to form into a film shape (thin film shape). Here, examples of the application means for forming the organic-inorganic hybrid thermoelectric material into a film (thin film) include casting, spin coating, dipping, and ink jet.

また、このような方法により塗布した後には、乾燥することにより有機溶媒等を除去すれば膜状(薄膜状)の有機−無機ハイブリッド熱電材料を得ることができるが、乾燥中あるいは乾燥後に熱処理を実施するようにしてもよい。かかる熱処理は、例えば、50℃〜1200℃で実施すればよく、50℃〜500℃で実施することが好ましい。かかる熱処理により、熱電材料が緻密化され、熱電特性が向上される。   In addition, after coating by such a method, a film-like (thin film-like) organic-inorganic hybrid thermoelectric material can be obtained by removing the organic solvent and the like by drying. You may make it implement. Such heat treatment may be performed at 50 ° C. to 1200 ° C., for example, and is preferably performed at 50 ° C. to 500 ° C. Such heat treatment densifies the thermoelectric material and improves thermoelectric properties.

以上説明した本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料は、無機粒子として、平均粒子径が1〜100nmであり、保護剤が実質的に存在しない無機粒子を用いているので、無機粒子が有機熱電材料同士の隙間に効率よく入り込んで分散することができ、優れた熱電特性を安定して保持し、高いゼーベック係数や電気伝導度、低い熱伝導度を有することにより、物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)が優れた熱電材料となる。また、構成材料として有機高分子材料である有機熱電材料を用いているので、加工性も良好な熱電材料となり、例えば、薄膜化も容易に行うことができる。   The organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention described above uses inorganic particles having an average particle diameter of 1 to 100 nm and having substantially no protective agent as the inorganic particles. It is able to efficiently enter and disperse into the gaps between materials, stably maintain excellent thermoelectric properties, and have high Seebeck coefficient, electrical conductivity, and low thermal conductivity, so that it is a physical internal factor (TPF) And a thermoelectric material having an excellent thermoelectric figure of merit (ZT). Moreover, since the organic thermoelectric material which is an organic polymer material is used as a constituent material, it becomes a thermoelectric material with favorable workability, and for example, it can be easily reduced in thickness.

また、本発明に係る有機−無機ハイブリッド熱電材料は、熱エネルギーと電気エネルギーの間の直接変換、いわゆる熱電変換に利用することができ、有機熱電材料を構成材料とすることにより加工性も良好であることから、良好な熱電特性を具備する熱電変換素子や熱電変換モジュールを容易に製造することが可能となる。加えて、熱センサー、熱電冷却装置等の熱電変換技術を利用した各種装置等に適用することができる。   Further, the organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention can be used for direct conversion between thermal energy and electric energy, so-called thermoelectric conversion, and the workability is also good by using the organic thermoelectric material as a constituent material. Therefore, it becomes possible to easily manufacture thermoelectric conversion elements and thermoelectric conversion modules having good thermoelectric characteristics. In addition, it can be applied to various devices using thermoelectric conversion technology such as a thermal sensor and a thermoelectric cooling device.

本発明の有機−無機ハイブリッド熱電材料を用いて熱電変換素子とする場合には、例えば、半導体熱電変換材料、例えばビスマスセレン、アルミドープ酸化亜鉛、あるいは金属例えば白金、パラジウムを電気的かつ物理的に接合させた素子を基本ユニットとすることが好ましい。接合方法としては、例えば、導電性ペーストによる接着、あるいは蒸着やスパッタ等でコーティングする方法等を使用できる。また、所望の出力を得るため、基本ユニットを複数直列に接続させたものを熱電変換素子として使用することもできる。接合点間に温度差をかけた場合には、熱起電力を発生し熱電発電素子となり、一方、この素子に電流を流した場合には接合点間で熱移動が起こり、ペルチェ冷却素子となる。   When the organic-inorganic hybrid thermoelectric material of the present invention is used as a thermoelectric conversion element, for example, a semiconductor thermoelectric conversion material such as bismuth selenium, aluminum-doped zinc oxide, or a metal such as platinum or palladium is electrically and physically used. It is preferable that the joined element is a basic unit. As a joining method, for example, adhesion using a conductive paste or a method of coating by vapor deposition or sputtering can be used. Further, in order to obtain a desired output, a plurality of basic units connected in series can be used as a thermoelectric conversion element. When a temperature difference is applied between the junction points, a thermoelectromotive force is generated to become a thermoelectric power generation element. On the other hand, when a current is passed through this element, heat transfer occurs between the junction points to become a Peltier cooling element. .

なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状等としても問題はない。本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。   The aspect described above shows one aspect of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and has the configuration of the present invention and can achieve the objects and effects. It goes without saying that modifications and improvements within the scope are included in the content of the present invention. Further, the specific structure, shape, and the like in carrying out the present invention are not problematic as other structures, shapes, and the like as long as the objects and effects of the present invention can be achieved. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications and improvements within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

例えば、本発明の熱電変換素子は、本発明の有機−無機ハイブリッド熱電材料を使用することを最小条件とし、その他の構成については限定されない。熱電変換素子に使用する熱電変換材料は、フィルム状に加工したものを使用してもよいが、その形状も限定されるものではない。種々の変形が可能である。また、熱電変換材料表面に保護材や封止材を積層する等、他の材料との複合も可能である。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
For example, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the minimum condition is that the organic-inorganic hybrid thermoelectric material of the present invention is used, and other configurations are not limited. Although the thermoelectric conversion material used for a thermoelectric conversion element may use what was processed into the film form, the shape is not limited. Various modifications are possible. Moreover, a composite with other materials, such as laminating a protective material or a sealing material on the surface of the thermoelectric conversion material, is also possible.
In addition, the specific structure, shape, and the like in the implementation of the present invention may be other structures as long as the object of the present invention can be achieved.

以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to this Example at all.

[合成例1]
テルル化ビスマス(BiTe)ナノ粒子の合成:
500mLの4つ口フラスコに、脱水、脱気済みのTEG(テトラエチレングリコール)250mL、塩化ビスマス(BiCl)を1.8mmol、塩化テルル(TeCl)を2.7mmol、PVP(ポリビニルピロリドン)を18mmol(r=4)加えて、324rpmで30分間攪拌して混合体とした。
[Synthesis Example 1]
Synthesis of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanoparticles:
In a 500 mL four-necked flask, 250 mL of dehydrated and degassed TEG (tetraethylene glycol), 1.8 mmol of bismuth chloride (BiCl 3 ), 2.7 mmol of tellurium chloride (TeCl 4 ), and PVP (polyvinylpyrrolidone) 18 mmol (r = 4) was added and stirred at 324 rpm for 30 minutes to obtain a mixture.

次に、スライダックを接続したマントルヒーターを用い、得られた混合体を、印加電圧を70Vとして1時間窒素気流下の加熱還流を行った(経過時間と温度との関係を以下に示す。)。加熱終了後は空冷によりゆっくり温度を下げ、触ることができる程度に温度が下がったら、3000rpm、40分で遠心分離を行い、溶媒をTEG(テトラエチレングリコール)からエタノールに溶媒置換を行った。溶媒置換後、エタノール洗浄を4回行った。アルゴン置換を行ったエバポレーターで溶媒(エタノール)を除去した。粉体を回収し、減圧乾燥器で12時間乾燥し、無機粒子であるテルル化ビスマス(BiTe)のナノ粒子を粉体で得た。 Next, using a mantle heater to which a slidac was connected, the obtained mixture was heated and refluxed under a nitrogen stream for 1 hour at an applied voltage of 70 V (relationship between elapsed time and temperature is shown below). After the heating was completed, the temperature was slowly lowered by air cooling, and when the temperature dropped to a level where it could be touched, centrifugation was performed at 3000 rpm for 40 minutes, and the solvent was replaced from TEG (tetraethylene glycol) to ethanol. After solvent replacement, ethanol washing was performed 4 times. The solvent (ethanol) was removed using an evaporator with argon substitution. The powder was collected and dried in a vacuum dryer for 12 hours to obtain inorganic particles of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) as powder.

(加熱環流における経過時間と温度の関係)
経過時間 温度
10分 : 106℃
20分 : 167℃
30分 : 226℃
40分 : 269℃
50分 : 298℃
60分 : 307℃
(Relationship between elapsed time and temperature in heated reflux)
Elapsed time Temperature 10 minutes: 106 ° C
20 minutes: 167 ° C
30 minutes: 226 ° C
40 minutes: 269 ° C
50 minutes: 298 ° C
60 minutes: 307 ° C

(X線回折(XRD)による分析)
得られたテルル化ビスマス(BiTe)についてXRD分析を行った結果、酸化物のピークは確認されず、テルル化ビスマスのピークのみが確認できた。
(Analysis by X-ray diffraction (XRD))
As a result of XRD analysis of the obtained bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ), no oxide peak was confirmed, and only the bismuth telluride peak was confirmed.

(透過型断面顕微鏡(TEM)による断面観察)
TEMにより観察した結果、多分散かつ粒径の小さいナノ粒子が多く得られたことが確認できた。平均粒子径は約10nm(大多数が5〜15nmの範囲内)であった。
(Cross-section observation with a transmission cross-sectional microscope (TEM))
As a result of observation by TEM, it was confirmed that many nanoparticles with small polydispersion and small particle diameter were obtained. The average particle size was about 10 nm (the majority was in the range of 5-15 nm).

(フーリエ変換型赤外分光(FT−IR)による分析)
FT−IR分析により、得られたテルル化ビスマスに有機物(保護剤:PVP)が存在するか否かを確認した結果、有機物(保護剤)が全く存在しないことが確認できた。
(Analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR))
As a result of confirming whether or not an organic substance (protective agent: PVP) is present in the obtained bismuth telluride by FT-IR analysis, it was confirmed that no organic substance (protective agent) was present.

[合成例2]
ポリアニリンの合成:
1Lのナス型フラスコに塩化リチウム(LiCl)0.778molを入れた後、1moL/Lの塩酸水溶液117mmolをゆっくり加えた。さらにアニリン0.054molを加えて混合溶液とし、冷蔵庫であら熱を取った後、−30℃のアセトン冷媒で1時間冷却した。冷却後の混合溶液に、ペルオキソ二硫酸アンモニウム0.11molと、イオン交換水100mLと、塩化リチウム0.67molの混合溶液を50時間かけて滴下した。滴下終了後、後反応として1時間撹拌し、ゆっくり常温に戻して、中間生成物を得た。
[Synthesis Example 2]
Synthesis of polyaniline:
After adding 0.778 mol of lithium chloride (LiCl) to a 1 L eggplant-shaped flask, 117 mmol of 1 mol / L hydrochloric acid aqueous solution was slowly added. Furthermore, 0.054 mol of aniline was added to make a mixed solution, and after taking heat in a refrigerator, it was cooled with an acetone refrigerant at −30 ° C. for 1 hour. To the mixed solution after cooling, a mixed solution of ammonium peroxodisulfate 0.11 mol, ion-exchanged water 100 mL, and lithium chloride 0.67 mol was added dropwise over 50 hours. After completion of the dropwise addition, the reaction was stirred for 1 hour as a post reaction, and slowly returned to room temperature to obtain an intermediate product.

次に、得られた中間生成物をイオン交換水で吸引ろ過(0.2μm)した後、ろ液が中性になるまで洗浄した。洗浄後、アセトンでろ液が無色透明になるまでさらに洗浄した。40℃で12時間減圧乾燥し、粉末状のポリアニリンを得た。得られたポリアニリンに1mol/Lのアンモニア水100mLを加え、1時間撹拌し脱ドープを行った。脱ドープ後のポリアニリンをイオン交換水で吸引ろ過し、ろ液が中性になるまで洗浄した後、アセトンでろ液が無色透明になるまで洗浄ろ過した。そして、得られた生成物50℃で12時間減圧乾燥し、有機熱電材料であるエメラルジン構造のポリアニリン(PANi)を粉末で得た。   Next, the obtained intermediate product was subjected to suction filtration (0.2 μm) with ion-exchanged water, and then washed until the filtrate became neutral. After washing, the filtrate was further washed with acetone until the filtrate became colorless and transparent. It dried under reduced pressure at 40 degreeC for 12 hours, and obtained the powdery polyaniline. To the obtained polyaniline, 100 mL of 1 mol / L aqueous ammonia was added and stirred for 1 hour for dedoping. The polyaniline after undoping was suction filtered with ion-exchanged water, washed until the filtrate became neutral, and then filtered with acetone until the filtrate became colorless and transparent. The obtained product was dried under reduced pressure at 50 ° C. for 12 hours to obtain emeraldine-structured polyaniline (PANi) as an organic thermoelectric material as a powder.

(紫外可視近赤外分光法(UV−Vis)による同定)
合成例2で得られたポリアニリンをサンプル管にとり、NMP(1−メチルピロリドン)に溶解させ石英セルに移し測定した。一般に、ポリアニリンは、文献値では329nmにベンゼノイド構造、639nmにキノイド構造のピークが観測され、吸光度比が1.1−1.7とされている。合成例2で得られたポリアニリンも同様なピークが観測され、得られた生成物はエメラルジン構造のポリアニリンであると同定できた。
(Identification by ultraviolet visible near infrared spectroscopy (UV-Vis))
The polyaniline obtained in Synthesis Example 2 was taken in a sample tube, dissolved in NMP (1-methylpyrrolidone), transferred to a quartz cell, and measured. Generally, polyaniline has a benzenoid structure peak at 329 nm and a quinoid structure peak at 639 nm as a literature value, and an absorbance ratio of 1.1 to 1.7. A similar peak was observed in the polyaniline obtained in Synthesis Example 2, and the obtained product could be identified as a polyaniline having an emeraldine structure.

(フーリエ変換型赤外分光(FT−IR)測定による分析)
合成例2で得られたポリアニリンについて、KBr法にてFT−IR測定を行った。一般に、ポリアニリンは、文献値では1589cm−1にキノイド構造、1492cm−1にベンゼノイド構造、827cm−1に1−4変角振動とされており、合成例2で得られたポリアニリン同様のピークが観測されており、エメラルジン構造のポリアニリンであることが確認できた。
(Analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement)
The polyaniline obtained in Synthesis Example 2 was subjected to FT-IR measurement by the KBr method. In general, polyaniline has a quinoid structure at 1589 cm −1 , a benzenoid structure at 1492 cm −1, and 1-4 bending vibration at 827 cm −1 in the literature values, and the same peak as the polyaniline obtained in Synthesis Example 2 is observed. It was confirmed that the polyaniline had an emeraldine structure.

(ゲル浸透クロマトグラフィーによる分子量の測定)
合成例2で得られたポリアニリンについて、分子量をゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GPC)を用いて求めた。GPC測定はポリビニルピリジンを標準サンプルとし、検量線を作成し重量平均分子量等を求めた。また移動相はN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を使用した。重量平均分子量(M)=92000、数平均分子量(M)=81000、重量平均分子量(M)/数平均分子量(M)=1.1であった。
(Measurement of molecular weight by gel permeation chromatography)
The molecular weight of the polyaniline obtained in Synthesis Example 2 was determined using gel permeation chromatography (GPC). For GPC measurement, polyvinyl pyridine was used as a standard sample, and a calibration curve was prepared to determine the weight average molecular weight and the like. The mobile phase used was N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The weight average molecular weight (M w ) = 92000, the number average molecular weight (M n ) = 81000, and the weight average molecular weight (M w ) / number average molecular weight (M n ) = 1.1.

[実施例1〜実施例3]
有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造:
合成例1で得られた無機粒子であるテルル化ビスマス(BiTe)ナノ粒子及び合成例2で得られた有機熱電材料であるポリアニリンを用いて、下記の「直接配位法」、「溶液配位法」及び「水溶性ポリアニリン法で被覆したテルル化ビスマスを用いた方法(以下、「水溶性ポリアニリン法」と呼ぶ。)の3種類の製造方法により、有機−無機ハイブリッド熱電材料であるポリアニリン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料を製造した。
[Examples 1 to 3]
Production of organic-inorganic hybrid thermoelectric materials:
Using the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanoparticles that are the inorganic particles obtained in Synthesis Example 1 and the polyaniline that is the organic thermoelectric material obtained in Synthesis Example 2, the following “direct coordination method”, “ It is an organic-inorganic hybrid thermoelectric material by three kinds of manufacturing methods, “solution coordination method” and “method using bismuth telluride coated with water-soluble polyaniline method” (hereinafter referred to as “water-soluble polyaniline method”). A polyaniline-bismuth telluride hybrid thermoelectric material was produced.

[実施例1]
ハイブリッド熱電材料の製造(1)(直接配位法による製造):
グローブボックス中で、4mLサンプル管に、合成例1で得られたテルル化ビスマス(印加電圧:70V)、合成例2で得られたポリアニリン、カンファスルホン酸及びm−クレゾールを、下記表1に示した構成として、攪拌子を入れ密封した。超音波を1時間照射した後、スターラー攪拌を24時間行って混合した。これをガラス板にキャストし乾燥させることによって、膜状のハイブリッド熱電材料を得た。
[Example 1]
Production of hybrid thermoelectric materials (1) (Production by direct coordination method):
Table 1 shows the bismuth telluride obtained in Synthesis Example 1 (applied voltage: 70 V), the polyaniline, camphorsulfonic acid and m-cresol obtained in Synthesis Example 2 in a 4 mL sample tube in a glove box. As a configuration, a stir bar was inserted and sealed. After irradiation with ultrasonic waves for 1 hour, the mixture was stirred for 24 hours with stirring. This was cast on a glass plate and dried to obtain a film-like hybrid thermoelectric material.

(構成:直接配位法)

Figure 0005599095
(Composition: Direct coordination method)
Figure 0005599095

[実施例2]
ハイブリッド熱電材料の製造(2)(溶液配位法による製造):
1Lのナス型フラスコにポリアニリンを300mg、脱水・脱気済みの1,4−ジオキサンを600mL入れ、スターラー攪拌を48時間行い、1,4−ジオキサンにポリアニリンを完全に溶解させた(ポリアニリン溶液と呼ぶ。)。次に、グローブボックス中で100mLナス型フラスコにテルル化ビスマスナノ粒子(印加電圧:70V)とポリアニリン溶液を下記表2の構成として、攪拌子を入れ密封した。これについて48時間スターラー攪拌を行った。
[Example 2]
Production of hybrid thermoelectric material (2) (Production by solution coordination method):
In a 1 L eggplant-shaped flask, 300 mg of polyaniline and 600 mL of dehydrated and degassed 1,4-dioxane were added, and stirred with a stirrer for 48 hours to completely dissolve polyaniline in 1,4-dioxane (referred to as polyaniline solution). .) Next, a bismuth telluride nanoparticle (applied voltage: 70 V) and a polyaniline solution were placed in a 100 mL eggplant type flask in the glove box as shown in Table 2 below, and sealed with a stirrer. This was stirred for 48 hours with stirring.

(構成:溶液配位法)

Figure 0005599095
(Configuration: Solution coordination method)
Figure 0005599095

さらに、下記表3に示す構成で、直接配位法と同等のカンファスルホン酸とm−クレゾールを加え、72時間グローブボックス内でスターラー攪拌を行い、同時にロータリーポンプを用い減圧した。この溶液をガラス板にキャストし乾燥させることによって、膜状のハイブリッド熱電材料を得た。   Furthermore, in the configuration shown in Table 3 below, camphorsulfonic acid and m-cresol equivalent to those in the direct coordination method were added, stirring was performed in a glove box for 72 hours, and pressure was reduced using a rotary pump at the same time. This solution was cast on a glass plate and dried to obtain a film-like hybrid thermoelectric material.

(構成:溶液配位法)

Figure 0005599095
(Configuration: Solution coordination method)
Figure 0005599095

[合成例3]
水溶性ポリアニリンの合成:
300mLナス型フラスコにアニリン0.05mol(4.657g)を入れ、1mol/L塩酸水溶液(10mL)を加えた。オイルバスを80℃に加熱し、過硫酸アンモニウム0.0625mol(14.260g)を粉体で添加した。添加後数秒で激しく重合し、その時発生する熱により、塩酸水溶液に含まれる水が一瞬で気化して系から除かれ、ポリアニリンが生成した。ナス型フラスコ内に残留したポリアニリンを回収し、合成例2と同様にアセトン、水でろ過洗浄し、アンモニア水を用い脱ドープすることにより、重量平均分子量が約10000の水溶性ポリアニリンを粉体で得た。
[Synthesis Example 3]
Synthesis of water-soluble polyaniline:
0.05 mol (4.657 g) of aniline was placed in a 300 mL eggplant-shaped flask, and 1 mol / L hydrochloric acid aqueous solution (10 mL) was added. The oil bath was heated to 80 ° C., and 0.0625 mol (14.260 g) of ammonium persulfate was added as a powder. Polymerization occurred vigorously within a few seconds after the addition, and water contained in the hydrochloric acid aqueous solution was instantly vaporized and removed from the system by the heat generated at that time, thereby producing polyaniline. The polyaniline remaining in the eggplant-shaped flask is recovered, filtered and washed with acetone and water in the same manner as in Synthesis Example 2, and dedoped using aqueous ammonia to obtain water-soluble polyaniline having a weight average molecular weight of about 10,000 as a powder. Obtained.

[合成例4]
水溶性ポリアニリンで保護されたテルル化ビスマスの合成:
合成例1において、保護剤としてポリビニルピロリドン(PVP)の代わりに、合成例3で得られた水溶性ポリアニリンを同モル量(R=4)(18mmol、419.09mg)用い、印加電圧を70Vで合成を行った以外は、合成例1で示した方法と同様な方法を用いて、水溶性ポリアニリンで保護されたテルル化ビスマス(平均粒子径:約10nm)を得た。
[Synthesis Example 4]
Synthesis of bismuth telluride protected with water-soluble polyaniline:
In Synthesis Example 1, the same amount (R = 4) (18 mmol, 419.09 mg) of the water-soluble polyaniline obtained in Synthesis Example 3 was used instead of polyvinylpyrrolidone (PVP) as a protective agent, and the applied voltage was 70V. Except for the synthesis, bismuth telluride protected with water-soluble polyaniline (average particle size: about 10 nm) was obtained using the same method as shown in Synthesis Example 1.

[実施例3]
ハイブリッド熱電材料の製造(3)(水溶性ポリアニリン法による製造):
グローブボックス中で、4mLサンプル管に、合成例3で得られた水溶性ポリアニリンで保護されたテルル化ビスマス、合成例2で得られたポリアニリン、カンファスルホン酸、m−クレゾールを下記表4に示した構成として、攪拌子を入れ密封した。超音波を1時間照射した後、スターラー攪拌を24時間行って混合した。これをガラス板にキャストし乾燥させることによって、膜状のハイブリッド熱電材料を得た。なお、加熱によりポリアニリンが分解していると考えたため、分解していない合成例2で得られたポリアニリンを用いている。
[Example 3]
Production of hybrid thermoelectric material (3) (Production by water-soluble polyaniline method):
Table 4 below shows the bismuth telluride protected with the water-soluble polyaniline obtained in Synthesis Example 3, polyaniline, camphorsulfonic acid, and m-cresol obtained in Synthesis Example 2 in a 4 mL sample tube in a glove box. As a configuration, a stir bar was inserted and sealed. After irradiation with ultrasonic waves for 1 hour, the mixture was stirred for 24 hours with stirring. This was cast on a glass plate and dried to obtain a film-like hybrid thermoelectric material. Since it was considered that polyaniline was decomposed by heating, polyaniline obtained in Synthesis Example 2 that was not decomposed was used.

(構成:水溶性ポリアニリン法)

Figure 0005599095
(Composition: Water-soluble polyaniline method)
Figure 0005599095

実施例1〜実施例3で得られたハイブリッド熱電材料をXRD測定、FT−IR測定及びSEM測定を行うことにより評価した。   The hybrid thermoelectric material obtained in Examples 1 to 3 was evaluated by performing XRD measurement, FT-IR measurement, and SEM measurement.

(XRD測定)
実施例1〜実施例3のいずれのハイブリッド熱電材料についても、ポリアニリン由来のブロードのピークと、テルル化ビスマス由来のシャープなピークが確認されたため、得られた膜状のハイブリッド熱電材料にはポリアニリンとテルル化ビスマスが存在していることが確認できた。
(XRD measurement)
For any of the hybrid thermoelectric materials of Examples 1 to 3, since a broad peak derived from polyaniline and a sharp peak derived from bismuth telluride were confirmed, the obtained film-like hybrid thermoelectric material includes polyaniline and It was confirmed that bismuth telluride was present.

(FT−IR測定)
得られた膜状のハイブリッド熱電材料を瑪瑙乳鉢でできる限り粉砕し、KBr法によってFT−IR測定を測定した。酸化物が存在する場合、2つのピークが観測される。エーテル(酸素が結晶構造中に入り込んでいる)及びケトン(テルル化ビスマス表面においてなりえる構造)の2つのピークが確認されると考えられるが、実施例1〜実施例3のいずれの測定結果においても、かかるピークは存在しなかった。よって、これらのハイブリッド熱電材料は、テルル化ビスマスが膜にしっかり含有されているため、測定限界以上に酸化していないことが確認できた。
(FT-IR measurement)
The obtained film-like hybrid thermoelectric material was pulverized as much as possible in an agate mortar, and FT-IR measurement was measured by the KBr method. When the oxide is present, two peaks are observed. It is considered that two peaks of ether (oxygen enters the crystal structure) and ketone (structure that can be formed on the surface of bismuth telluride) are confirmed. In any of the measurement results of Examples 1 to 3, However, such a peak did not exist. Therefore, it was confirmed that these hybrid thermoelectric materials were not oxidized beyond the measurement limit because bismuth telluride was firmly contained in the film.

(SEM測定)
SEMで観察した結果、実施例1(直接配位法)及び実施例3(水溶性ポリアニリン法)で得られたハイブリッド熱電材料は、表面のなめらかな膜であることが確認できた。溶液配位法で得られたハイブリッド熱電材料は、若干ではあるが、凝集した部分がみられた。
(SEM measurement)
As a result of observation by SEM, it was confirmed that the hybrid thermoelectric materials obtained in Example 1 (direct coordination method) and Example 3 (water-soluble polyaniline method) had a smooth surface. In the hybrid thermoelectric material obtained by the solution coordination method, an agglomerated part was observed although it was slightly.

(熱電変換効率の測定)
実施例1で得られたハイブリッド熱電材料について、熱電特性測定装置を用いて、熱電変換効率の測定を行った。この測定で得られた温度差、熱起電力、電位差から、ゼーベック係数Sと電気伝導度σを算出した。算出に用いた計算式を以下に示した。
(Measurement of thermoelectric conversion efficiency)
About the hybrid thermoelectric material obtained in Example 1, the thermoelectric conversion efficiency was measured using the thermoelectric characteristic measuring apparatus. From the temperature difference, thermoelectromotive force, and potential difference obtained by this measurement, the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ were calculated. The calculation formula used for the calculation is shown below.

Figure 0005599095
Figure 0005599095

Figure 0005599095
Figure 0005599095

Figure 0005599095
Figure 0005599095

なお、測定は、実施例1(直接配位法)について実施した。形状因子を下記に示す。また、再現性確認のため2回測定を行った。ポリアニリンも参照(ブランク)として測定したが、ポリアニリンに関しては、導電性高分子であり、ゼーベック係数は安定しないためプロット数を増やしてある。この結果をもとに、式(I)及び式(II)より物理的内部因子(TPF)や熱電性能指数(ZT)を算出した。結果を図1(ゼーベック係数)、図2(電気伝導度)、図3(熱電性能指数(ZT))及び図4(パワーファクター)にそれぞれ示す。なお、熱伝導度は、いずれも有機熱電材料であるポリアニリンの値とほぼ相違ないものであり、有機熱電材料が有する低い熱伝導度であった。よって、熱電性能指数(ZT)及びパワーファクターの算出において、熱伝導度はポリアニリンのものを用いた。   In addition, the measurement was implemented about Example 1 (direct coordination method). The form factor is shown below. Moreover, the measurement was performed twice for confirmation of reproducibility. Polyaniline was also measured as a reference (blank), but polyaniline is a conductive polymer and the Seebeck coefficient is not stable, so the number of plots is increased. Based on this result, the physical intrinsic factor (TPF) and the thermoelectric figure of merit (ZT) were calculated from the formulas (I) and (II). The results are shown in FIG. 1 (Seebeck coefficient), FIG. 2 (electric conductivity), FIG. 3 (thermoelectric figure of merit (ZT)) and FIG. 4 (power factor), respectively. The thermal conductivity was almost the same as that of polyaniline, which is an organic thermoelectric material, and was a low thermal conductivity possessed by the organic thermoelectric material. Therefore, in the calculation of the thermoelectric figure of merit (ZT) and power factor, the thermal conductivity of polyaniline was used.

(形状因子:ポリアニリン)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 12.73μm
試料の幅 : 0.31cm
電極間距離 : 0.65cm
(Form factor: Polyaniline)
Sample thickness (film thickness): 12.73 μm
Sample width: 0.31 cm
Distance between electrodes: 0.65cm

(形状因子:R=1)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 14.01μm
試料の幅 : 0.3cm
電極間距離 : 0.65cm
(Form factor: R = 1)
Sample thickness (film thickness): 14.01 μm
Sample width: 0.3 cm
Distance between electrodes: 0.65cm

(形状因子:R=5)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 8.36μm
試料の幅 : 0.32cm
電極間距離 : 0.26cm
(Form factor: R = 5)
Sample thickness (film thickness): 8.36 μm
Sample width: 0.32 cm
Distance between electrodes: 0.26 cm

(形状因子:R=10)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 13.95μm
試料の幅 : 0.32cm
電極間距離 : 0.7cm
(Form factor: R = 10)
Sample thickness (film thickness): 13.95 μm
Sample width: 0.32 cm
Distance between electrodes: 0.7cm

一般に、ゼーベック係数はR値が低い場合には上昇すると考えられるが、同時に分散性も低下し電位差を均一に与えることができなくなる。そのため、図1に示すように、R=1ではゼーベック係数が低く、R=5では高い。またR=10ではテルル化ビスマスナノ粒子が均一に分散するためテルル化ビスマス自体の性質を示すようになり、テルル化ビスマスと同様、300Kあたりにピークトップをもつことができる。そして、この中間であるR値では、分散性が高く、テルル化ビスマスナノ粒子により電流を十分に遮ることができ、ゼーベック係数は高温域(350−400K)で大きく上昇すると考えられる。また、電気伝導度は、直接配位法では、絶縁性を低下させる物質はテルル化ビスマスしか存在しないため、図2に示すように、電気伝導度は大きく減少しないという結果だった。   In general, the Seebeck coefficient is considered to increase when the R value is low, but at the same time, the dispersibility also decreases and the potential difference cannot be uniformly applied. Therefore, as shown in FIG. 1, the Seebeck coefficient is low at R = 1 and high at R = 5. Further, when R = 10, the bismuth telluride nanoparticles are uniformly dispersed, so that the properties of bismuth telluride itself are exhibited, and, like bismuth telluride, can have a peak top around 300K. And at the intermediate R value, the dispersibility is high, the current can be sufficiently blocked by the bismuth telluride nanoparticles, and the Seebeck coefficient is considered to increase greatly in the high temperature range (350-400K). Moreover, the electrical conductivity was a result that the electrical conductivity was not greatly reduced as shown in FIG. 2 because the direct coordination method has only bismuth telluride as the substance that lowers the insulating property.

なお、直接配位法において、ゼーベック係数が高いが電気伝導度が減少しない理由としては、電流は、通常抵抗が少ない部分を選択的に多く流れるので、電流が流れるという作業を導電性高分子が担い、電位差を与える作業をテルル化ビスマスナノ粒子が担うことにより、ゼーベック係数、電気伝導度の両立が可能になると考えられる。一方、このような現象を起こすためには電位差を与える物質が十分に小さく、分散性が高いことが必要な条件であることからも、直接配位法では、電位差を与える物質が十分に小さく、高い分散性でハイブリッド材料が製造されているものと考えられる。そして、実施例1のハイブリッド熱電材料は、このようにゼーベック係数が高いが電気伝導度がそれほど減少しないので、図3及び図4に示すように、熱電性能指数(ZT)及びパワーファクターも良好な結果だった。   In the direct coordination method, the reason why the electric conductivity does not decrease although the Seebeck coefficient is high is that the current flows normally in a portion where the resistance is low. It is considered that both the Seebeck coefficient and the electrical conductivity can be achieved by the bismuth telluride nanoparticle carrying the work of imparting a potential difference. On the other hand, in order to cause such a phenomenon, since the substance that gives the potential difference is sufficiently small and the dispersibility is a necessary condition, in the direct coordination method, the substance that gives the potential difference is sufficiently small, It is considered that the hybrid material is manufactured with high dispersibility. The hybrid thermoelectric material of Example 1 has a high Seebeck coefficient in this way, but the electrical conductivity does not decrease so much, so that the thermoelectric figure of merit (ZT) and power factor are also good as shown in FIGS. It was a result.

また、合成例1で得られたテルル化ビスマスの代わりに、市販品のバルク状のテルル化ビスマスを粉砕したマイクロメートルオーダーのテルル化ビスマス(平均粒子径:3〜5μm)を用いて、それ以外は実施例1と同様な方法により製造した膜状のハイブリッド熱電材料を比較例1(R=5)として調製した。この比較例1のハイブリッド熱電材料を、実施例1と同様にして熱電変換効率を測定した。結果を図5(ゼーベック係数)、図6(電気伝導度)、図7(熱電性能指数(ZT))及び図8(パワーファクター)にそれぞれ示す。なお、実施例1の評価と同様に、ポリアニリンも参照(ブランク)として測定した。   Also, instead of the bismuth telluride obtained in Synthesis Example 1, micrometer-order bismuth telluride (average particle size: 3 to 5 μm) obtained by pulverizing a commercial bulk bismuth telluride was used, and the others Was prepared as Comparative Example 1 (R = 5) as a film-like hybrid thermoelectric material produced by the same method as in Example 1. The hybrid thermoelectric material of Comparative Example 1 was measured for thermoelectric conversion efficiency in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 5 (Seebeck coefficient), FIG. 6 (electrical conductivity), FIG. 7 (thermoelectric figure of merit (ZT)) and FIG. 8 (power factor), respectively. In addition, like the evaluation of Example 1, polyaniline was also measured as a reference (blank).

(形状因子:ポリアニリン)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 7.54μm
試料の幅 : 0.96cm
電極間距離 : 0.692cm
(Form factor: Polyaniline)
Sample thickness (film thickness): 7.54 μm
Sample width: 0.96 cm
Distance between electrodes: 0.692 cm

(形状因子:比較例1)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 18.9μm
試料の幅 : 1.12cm
電極間距離 : 0.527cm
(Form factor: Comparative Example 1)
Sample thickness (film thickness): 18.9 μm
Sample width: 1.12 cm
Distance between electrodes: 0.527cm

図5及び図6に示すように、比較例1のハイブリッド熱電材料は、ポリアニリンと比較して、電気伝導度の低下は概ね実施例1の結果と大差ないか実施例1の結果より低下しており、ゼーベック係数についてはポリアニリンと同様に低い値であった。前記したように、実施例1のハイブリッド熱電材料は、ポリアニリンと比較して高いゼーベック係数を示すことからも、比較例1のような、無機粒子(無機熱電材料)であるテルル化ビスマスの平均粒子径が3〜5μmとした本発明の要件を満たさないハイブリッド熱電材料については、ゼーベック係数について実施例1のハイブリッド熱電材料より劣ることが確認できた。   As shown in FIGS. 5 and 6, the hybrid thermoelectric material of Comparative Example 1 has a lower electrical conductivity than the result of Example 1 as compared with the polyaniline. The Seebeck coefficient was as low as that of polyaniline. As described above, since the hybrid thermoelectric material of Example 1 exhibits a higher Seebeck coefficient than polyaniline, the average particle of bismuth telluride that is an inorganic particle (inorganic thermoelectric material) as in Comparative Example 1 is used. It was confirmed that the hybrid thermoelectric material having a diameter of 3 to 5 μm that does not satisfy the requirements of the present invention is inferior to the hybrid thermoelectric material of Example 1 with respect to the Seebeck coefficient.

また、ゼーベック係数等がこのような結果であったため、比較例1のハイブリッド熱電材料の熱電性能指数(ZT)及びパワーファクターは、図7及び図8に示すように、ポリアニリンと比較しても大きく劣るものであった。このことからも、無機粒子(無機熱電材料)の平均粒子径について本発明の要件を満たさないハイブリッド熱電材料については、熱電特性について実施例1のハイブリッド熱電材料より劣ることが確認できた。   Further, since the Seebeck coefficient and the like were such results, the thermoelectric performance index (ZT) and the power factor of the hybrid thermoelectric material of Comparative Example 1 were larger than those of polyaniline as shown in FIGS. It was inferior. This also confirmed that the hybrid thermoelectric material that does not satisfy the requirements of the present invention for the average particle size of the inorganic particles (inorganic thermoelectric material) is inferior to the hybrid thermoelectric material of Example 1 in terms of thermoelectric properties.

[合成例5]
フェノール0.528mol(49.69g)にホルマリン水溶液1.06mol(31.83g)、水酸化ナトリウム49.5mmol(1.98g)を加えた。80℃で2時間の加熱還流を行うことにより、レゾール樹脂水溶液を得た。一方、この状態ではまだ不純物が存在するので、イオン交換樹脂を用いpH11からpH4に調整し、無機塩の除去を行うことによりレゾール樹脂を得た。無機塩が除去された1−ブタノールを過剰量加え、エバポレーターで溶媒除去を行った。これを5回繰り返し、溶液内に残留する水を除去し、水から1−ブタノールに溶媒置換を行ったレゾール樹脂を得た。
[Synthesis Example 5]
Formalin aqueous solution 1.06 mol (31.83 g) and sodium hydroxide 49.5 mmol (1.98 g) were added to phenol 0.528 mol (49.69 g). A resol resin aqueous solution was obtained by heating and refluxing at 80 ° C. for 2 hours. On the other hand, since impurities still exist in this state, the resol resin was obtained by adjusting the pH from 11 to 4 using an ion exchange resin and removing the inorganic salt. An excess amount of 1-butanol from which the inorganic salt had been removed was added, and the solvent was removed with an evaporator. This was repeated 5 times, water remaining in the solution was removed, and a resole resin in which solvent was substituted from water to 1-butanol was obtained.

[実施例4]
ハイブリッド熱電材料の製造(4):
合成例5で得られた1−ブタノールに溶媒置換を行ったレゾール樹脂と、合成例1で得られたテルル化ビスマスナノ粒子を以下の表5に示した構成で加え、24時間攪拌を行った。そして、減圧したグローブボックス内で120℃のホットプレートに乗せ、キャスト可能な粘性になるまで溶媒除去を行った。120℃のホットプレート上でガラス板にキャストを行い、発泡しないように徐々に真空度を下げて、120℃で24時間減圧乾燥を行った。その後、管状電気炉を用い500℃で30分間、850℃で1時間の熱処理を行うことにより、レゾール樹脂をポリアセンとし、有機−無機ハイブリッド熱電材料であるポリアセン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料を得た。
[Example 4]
Production of hybrid thermoelectric material (4):
The resole resin obtained by subjecting 1-butanol obtained in Synthesis Example 5 to solvent substitution and the bismuth telluride nanoparticles obtained in Synthesis Example 1 were added in the configuration shown in Table 5 below, followed by stirring for 24 hours. Then, it was placed on a hot plate at 120 ° C. in a decompressed glove box, and the solvent was removed until it became a castable viscosity. The glass plate was cast on a hot plate at 120 ° C., and the degree of vacuum was gradually lowered so as not to foam, and dried under reduced pressure at 120 ° C. for 24 hours. Thereafter, heat treatment was performed at 500 ° C. for 30 minutes and at 850 ° C. for 1 hour using a tubular electric furnace to obtain a polyacene-telluride bismuth hybrid thermoelectric material which is an organic-inorganic hybrid thermoelectric material using polyacene as the resole resin. .

(構成:実施例4)

Figure 0005599095
(Configuration: Example 4)
Figure 0005599095

(熱電変換効率の測定)
実施例4で得られたポリアセン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料について、実施例1と同様な方法を用いて、熱電変換効率の測定を行った。なお、測定はR=500について行った。電気伝導度の測定結果を図9に示す。
(Measurement of thermoelectric conversion efficiency)
The polyacene-bismuth telluride hybrid thermoelectric material obtained in Example 4 was measured for thermoelectric conversion efficiency using the same method as in Example 1. The measurement was performed for R = 500. The measurement result of electric conductivity is shown in FIG.

(形状因子:ポリアセン)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 0.1cm
試料の幅 : 0.27cm
電極間距離 : 0.55cm
(Form factor: Polyacene)
Sample thickness (film thickness): 0.1 cm
Sample width: 0.27 cm
Distance between electrodes: 0.55cm

(形状因子:R=500)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 0.05cm
試料の幅 : 0.23cm
電極間距離 : 0.1cm
(Form factor: R = 500)
Sample thickness (film thickness): 0.05 cm
Sample width: 0.23 cm
Distance between electrodes: 0.1 cm

図9に示すように、実施例4のポリアセン−テルル化ビスマスハイブリッド熱電材料の電気伝導度はポリアセンと比較して高かった。これは、平均粒子径が約10nmのテルル化ビスマスナノ粒子が導電性高分子であるポリアセンにホールを放出することにより、ポリアセンから電子を取り出すドーパントの効果を示していると考えられる。   As shown in FIG. 9, the electrical conductivity of the polyacene-bismuth telluride hybrid thermoelectric material of Example 4 was higher than that of polyacene. This is considered to be due to the effect of the dopant for extracting electrons from the polyacene when the bismuth telluride nanoparticles having an average particle diameter of about 10 nm emit holes to the polyacene, which is a conductive polymer.

[合成例6]
テルル化ビスマス(BiTe)ナノ粒子の合成(2):
合成例1と同様な方法を用いて、混合体を調製した。得られた混合体を、マントルヒーターで加熱し、20分で280℃まで温度を上げて還流状態として加熱環流した。印加電圧を60〜70Vで加熱を続け、280℃×60分間の条件で還流を続けた。加熱終了後、電源を切り、窒素気流下、約2時間かけて冷却した。この溶液状の混合体50mLを、450mLのエタノールに入れ攪拌後、6日間放置した。放置後得られた沈殿をデカンテーションで分離し、減圧下乾燥して、無機粒子であるテルル化ビスマス(BiTe)のナノ粒子を粉体で得た。
[Synthesis Example 6]
Synthesis of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanoparticles (2):
A mixture was prepared using the same method as in Synthesis Example 1. The obtained mixture was heated with a mantle heater, heated to 280 ° C. in 20 minutes, and heated to reflux. Heating was continued at an applied voltage of 60 to 70 V, and refluxing was continued at 280 ° C. for 60 minutes. After the heating was completed, the power was turned off and the system was cooled for about 2 hours under a nitrogen stream. 50 mL of this solution-like mixture was placed in 450 mL of ethanol and stirred, and then allowed to stand for 6 days. The precipitate obtained after standing was separated by decantation and dried under reduced pressure to obtain inorganic particles of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanoparticles as a powder.

(X線回折(XRD)による分析)
得られたテルル化ビスマス(BiTe)についてXRD分析を行った結果、酸化物のピークは確認されず、テルル化ビスマスのピークのみが確認できた。
(Analysis by X-ray diffraction (XRD))
As a result of XRD analysis of the obtained bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ), no oxide peak was confirmed, and only the bismuth telluride peak was confirmed.

(透過型断面顕微鏡(TEM)による断面観察)
TEMにより観察した結果、合成例1と比較しても粒子径分布が広く、また、平均粒子径は約35nm(大多数が20〜50nmの範囲内)であった。
(Cross-section observation with a transmission cross-sectional microscope (TEM))
As a result of observation by TEM, the particle size distribution was broader than that of Synthesis Example 1, and the average particle size was about 35 nm (the majority was in the range of 20 to 50 nm).

(フーリエ変換型赤外分光(FT−IR)による分析)
FT−IR分析により、得られたテルル化ビスマスに有機物(保護剤:PVP)が存在するか否かを確認した結果、有機物(保護剤)が全く存在しないことが確認できた。
(Analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR))
As a result of confirming whether or not an organic substance (protective agent: PVP) is present in the obtained bismuth telluride by FT-IR analysis, it was confirmed that no organic substance (protective agent) was present.

[実施例5]
有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造:
合成例6で得られた無機粒子であるテルル化ビスマス(BiTe)ナノ粒子と、合成例2で得られたポリアニリンを用いて、実施例1に示した方法(直接配位法)と同様な方法により、R=5として、膜状のハイブリッド熱電材料を調製した。
[Example 5]
Production of organic-inorganic hybrid thermoelectric materials:
Using the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanoparticles, which are inorganic particles obtained in Synthesis Example 6, and the polyaniline obtained in Synthesis Example 2, the method (direct coordination method) shown in Example 1 By the same method, a film-like hybrid thermoelectric material was prepared with R = 5.

(熱電変換効率の測定)
実施例5で得られたハイブリッド熱電材料について、実施例1と同様にして熱電変換効率を測定した。結果を図10(ゼーベック係数)、図11(電気伝導度)、図12(熱電性能指数(ZT))及び図13(パワーファクター)にそれぞれ示す。なお、実施例1の評価と同様に、ポリアニリンも参照(ブランク)として測定した。
(Measurement of thermoelectric conversion efficiency)
For the hybrid thermoelectric material obtained in Example 5, the thermoelectric conversion efficiency was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 10 (Seebeck coefficient), FIG. 11 (electric conductivity), FIG. 12 (thermoelectric figure of merit (ZT)) and FIG. 13 (power factor), respectively. In addition, like the evaluation of Example 1, polyaniline was also measured as a reference (blank).

(形状因子:ポリアニリン)
試料の厚さ(膜の厚さ) :7.54μm
試料の幅 : 0.96cm
電極間距離 : 0.692cm
(Form factor: Polyaniline)
Sample thickness (film thickness): 7.54 μm
Sample width: 0.96 cm
Distance between electrodes: 0.692 cm

(形状因子:実施例5)
試料の厚さ(膜の厚さ) : 3.57μm
試料の幅 : 1.21cm
電極間距離 : 0.658cm
(Form factor: Example 5)
Sample thickness (film thickness): 3.57 μm
Sample width: 1.21 cm
Distance between electrodes: 0.658cm

図10及び図11に示すように、実施例5のハイブリッド熱電材料は、ポリアニリンと比較して、電気伝導度が高かった。そして、図12及び図13に示すように、熱電性能指数(ZT)及びパワーファクターも、ポリアニリンより高いものであり、良好な結果であった。   As shown in FIGS. 10 and 11, the hybrid thermoelectric material of Example 5 had higher electrical conductivity than polyaniline. And as shown in FIG.12 and FIG.13, a thermoelectric figure of merit (ZT) and a power factor were also higher than polyaniline, and it was a favorable result.

本発明の熱電材料は、熱電変換技術に適用され、環境問題及びエネルギー問題をクリアする「エネルギー・リサイクル」を実現可能な手段として有利に使用することができる。   The thermoelectric material of the present invention is applied to thermoelectric conversion technology, and can be advantageously used as a means capable of realizing “energy recycling” that clears environmental problems and energy problems.

Claims (4)

平均粒子径が1〜100nmであり、Bi−(Te、Se)系、Si−Ge系、Pb−Te系、GeTe−AgSbTe系、(Co、Ir、Ru)−Sb系及び(Ca、Sr、Bi)Co系から選ばれた少なくとも1種で、保護剤が実質的に存在しない無機粒子であり、当該無機粒子に対応する前駆体、保護剤及び溶媒を混合後、前記保護剤の分解温度以上で加熱して前記無機粒子の分散溶液を調製し、当該分散溶液を精製して粉末化することにより得られる無機粒子と、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリアセン若しくはその誘導体、及びこれらの共重合体から選ばれた少なくとも1種の有機熱電材料を混合することを特徴とする有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。 The average particle diameter is 1 to 100 nm, Bi— (Te, Se), Si—Ge, Pb—Te, GeTe—AgSbTe, (Co, Ir, Ru) —Sb, and (Ca, Sr, Bi) Inorganic particles which are at least one selected from the Co 2 O 5 system and are substantially free of a protective agent, and after mixing a precursor, a protective agent and a solvent corresponding to the inorganic particles, Prepare a dispersion solution of the inorganic particles by heating at a decomposition temperature or higher, purify the dispersion solution and pulverize, and polyaniline or a derivative thereof, polypyrrole or a derivative thereof, polythiophene or a derivative thereof, At least one kind selected from polyphenylene vinylene derivatives, polyparaphenylene derivatives, polyacene or derivatives thereof, and copolymers thereof. Organic characterized by mixing the thermoelectric material - method for producing inorganic hybrid thermoelectric material. 前記有機熱電材料がポリアニリンであり、
当該ポリアニリンと、前記無機粒子と、カンファスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、トルエンスルホン酸及びリン酸から選ばれた少なくとも1種と、m−クレゾールを混合することを特徴とする請求項に記載の有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。
The organic thermoelectric material is polyaniline;
And said polyaniline, and the inorganic particles, camphorsulfonic acid, organic according to claim 1, naphthalene sulfonic acid, and at least one selected from toluene sulfonic acid and phosphoric acid, characterized by mixing m- cresol -Manufacturing method of inorganic hybrid thermoelectric material.
前記無機粒子がテルル化ビスマス(BiTe)であり、
前記無機粒子に対応する前駆体が四塩化テルルまたはテトラエトキシテルル、及び塩化ビスマスであり、
前記保護剤がポリビニルピロリドン(PVP)であり、
前記溶媒がテトラエチレングリコールであり、
前記保護剤の分解温度が230℃であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。
The inorganic particles are bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ),
The precursor corresponding to the inorganic particles is tellurium tetrachloride or tetraethoxytellurium, and bismuth chloride,
The protective agent is polyvinylpyrrolidone (PVP);
The solvent is tetraethylene glycol;
The method for producing an organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to claim 1 or 2 , wherein a decomposition temperature of the protective agent is 230 ° C.
膜状に成形することを特徴とする請求項ないし請求項のいずれかに記載の有機−無機ハイブリッド熱電材料の製造方法。 Method for producing inorganic hybrid thermoelectric materials - organic according to any one of claims 1 to 3, characterized in that molding into a film form.
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