JPWO2017122805A1 - 熱電変換素子用組成物、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法、熱電変換素子用成形体およびその製造方法、並びに熱電変換素子 - Google Patents

熱電変換素子用組成物、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法、熱電変換素子用成形体およびその製造方法、並びに熱電変換素子 Download PDF

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Abstract

本発明は、熱電変換素子に、十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる熱電変換素子用組成物を提供することを目的とする。本発明の熱電変換素子用組成物は、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分および溶媒を含むことを特徴とする。

Description

本発明は、熱電変換素子用組成物、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法、熱電変換素子用成形体およびその製造方法、並びに熱電変換素子に関するものである。
従来から、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる熱電変換素子が注目されている。ここで熱電変換素子において、上記エネルギー変換を担う熱電変換材料層の調製には、無機系材料が用いられてきた。しかしながら、近年、加工性や可とう性に優れる観点から、樹脂成分を含む有機系材料を用いて熱電変換素子の熱電変換材料層を調製する技術の検討が行われている。
例えば特許文献１では、絶縁性樹脂と、無機熱電変換材料と、電荷輸送材料とを含む樹脂組成物を用いて熱電変換材料層を形成することが開示され、当該文献は無機熱電変換材料として単層カーボンナノチューブを使用することを開示している。そして特許文献１によれば、絶縁性樹脂と、無機熱電変換材料と、電荷輸送材料とを含む樹脂組成物を用いることで、熱電変換特性に優れる熱電変換素子を作製することができる。
特開２０１５−１７０７６６号公報
しかしながら、上記従来の技術を用いても熱電変換特性に十分に優れた熱電変換素子を作製することは困難であった。すなわち上記従来の技術には、有機系材料を用いて形成した熱電変換材料層を備える熱電変換素子に、一層優れた熱電変換特性を発揮させるという点において、改善の余地があった。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行い、上記従来技術において樹脂成分と共に用いられるカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」という場合がある。）に着目した。そして、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ(以下、「金属担持ＣＮＴ」という場合がある。)、樹脂成分および溶媒を含む熱電変換素子用組成物を用いて熱電変換素子用成形体を作製し、当該成形体を熱電変換素子の熱電変換材料層として用いることで、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の熱電変換素子用組成物は、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分および溶媒を含むことを特徴とする。このように、金属担持ＣＮＴ、樹脂成分および溶媒を含む熱電変換素子用組成物を用いて得られる熱電変換素子用成形体を熱電変換素子の熱電変換材料層として使用すれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる。
なお、本発明において「ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーの粒子径を有する粒子を指す。
ここで、本発明の熱電変換素子用組成物において、前記金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを構成するカーボンナノチューブの比表面積が６００ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。比表面積が６００ｍ２／ｇ以上であるＣＮＴに金属ナノ粒子を担持してなる金属担持ＣＮＴを用いれば、熱電変換素子の熱電変換特性を一層優れたものとすることができるからである。
そして、本発明の熱電変換素子用組成物において、前記金属ナノ粒子が、遷移金属のナノ粒子を含むことが好ましい。遷移金属のナノ粒子が担持されたＣＮＴを用いれば、熱電変換素子の熱電変換特性を一層優れたものとすることができるからである。
更に、前記遷移金属がパラジウムであることが好ましい。パラジウムのナノ粒子が担持されたＣＮＴを用いれば、熱電変換素子の熱電変換特性をより一層優れたものとすることができるからである。
また、この発明は、上記課題を有利に解決する金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを製造する方法であって、本発明の金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法は、少なくともカーボンナノチューブ、金属前躯体、および還元剤を含む混合物中の前記金属前躯体を前記還元剤により還元して、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを得る工程を含むことを特徴とする。このように、還元剤を用いて金属前躯体を還元してＣＮＴ上に金属ナノ粒子を析出させることで、熱電変換素子の熱電変換特性を十分に高めうる金属担持ＣＮＴを効率良く製造することができる。
また、この発明は、上記課題を有利に解決する金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを製造する方法であって、本発明の金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法は、少なくともカーボンナノチューブ、金属前躯体、および反応溶媒を含む混合物中の前記金属前躯体をキャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により還元して、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを得る工程を含むことを特徴する。このように、キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理を用いて金属前躯体を還元してＣＮＴ上に金属ナノ粒子を析出させることで、熱電変換素子の熱電変換特性を十分に高めうる金属担持ＣＮＴを効率良く製造することができる。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の熱電変換素子用成形体は、上述した何れかの熱電変換素子用組成物を用いて形成されることを特徴とする。上述した何れかの熱電変換素子用組成物を用いて得られる熱電変換素子用成形体を熱電変換素子の熱電変換材料層として使用すれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる。
ここで、本発明の熱電変換素子用成形体は、厚みが０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが上述の範囲内である熱電変換素子用成形体を用いれば、熱電変換素子用成形体の強度を確保しつつ、熱電変換素子の熱電変換特性を一層優れたものとすることができるからである。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の熱電変換素子用成形体の製造方法は、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分および溶媒を含む粗混合物を、キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により混合して熱電変換素子用組成物を得る工程と、前記熱電変換素子用組成物から前記溶媒を除去する工程を含むことを特徴とする。このようにして得られた熱電変換素子用成形体を熱電変換素子の熱電変換材料層として使用すれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の熱電変換素子は、上述した何れかの熱電変換素子用成形体を含む熱電変換材料層を備えることを特徴とする。上述した何れかの熱電変換素子用成形体を熱電変換材料層として使用すれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる。
本発明によれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる熱電変換素子用組成物を提供することができる。
本発明によれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法を提供することができる。
本発明によれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる熱電変換素子用成形体を提供することができる。
本発明によれば、熱電変換特性に十分に優れる熱電変換素子を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の熱電変換素子用組成物は、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを含み、そして当該組成物は、本発明の熱電変換素子用成形体の形成に用いられる。また、本発明の熱電変換素子用組成物に用いられる金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブは、本発明の金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法を用いて製造することができる。そして、本発明の熱電変換素子用成形体は、熱電変換素子の熱電変換材料層として用いることができる。なお、本発明の熱電変換素子用成形体は、本発明の熱電変換素子用成形体の製造方法を用いて製造することができる。更に、本発明の熱電変換素子は、本発明の熱電変換素子用成形体を含む熱電変換材料層を備える。
（熱電変換素子用組成物）
本発明の熱電変換素子用組成物は、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分、および溶媒を含有し、任意に、その他の成分を含む。そして、本発明の熱電変換素子用組成物を用いて得られる熱電変換素子用成形体を熱電変換素子の熱電変換材料層として使用すれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる。
なお、本発明の熱電変換素子用組成物によって、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる理由は定かでないが、以下の理由によるものと推察される。
ここで、グラフェンシート（炭素によって作られる六員環ネットワークシート）を丸めて単層または多層の円筒状にしたような構造を有するＣＮＴは、その表面に欠陥構造（六員環ネットワークが良好に形成されていない箇所）が存在し、例えば上記特許文献１の技術においては、この欠陥構造の存在によりＣＮＴの導電性が十分に得られない場合があったと推察される。そこで、本発明では、このような欠陥構造を有するＣＮＴに金属ナノ粒子を担持させることで、ＣＮＴの導電性を向上させる。その結果、金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴを熱電変換材料層に用いれば、熱電変換素子の熱電変換特性を大幅に高めることができると推察される。
＜金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ＞
金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴは、金属ナノ粒子がＣＮＴの表面に付着した、ＣＮＴと金属の複合材料である。
［カーボンナノチューブ］
金属担持ＣＮＴを構成するＣＮＴは、単層カーボンナノチューブであっても、多層カーボンナノチューブであってもよいが、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高める観点からは、単層カーボンナノチューブおよび二層カーボンナノチューブの少なくとも一方を含むことが好ましく、単層カーボンナノチューブを含むことが好ましい。
ここで、ＣＮＴの平均直径は、０．５ｎｍ以上であることが好ましく、１ｎｍ以上であることがより好ましい。ＣＮＴの平均直径が０．５ｎｍ以上であれば、ＣＮＴの凝集を抑制し、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高めることができる。また、ＣＮＴの平均直径の上限は、特に限定されないが、例えば１５ｎｍ以下である。
なお、ＣＮＴの平均直径は、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択したカーボンナノチューブ１００本の直径を測定して求めることができる。
また、ＣＮＴの平均長さは、０．１μｍ以上であることが好ましく、１ｃｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下であることがより好ましい。ＣＮＴの平均長さが上述の範囲内であれば、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高めることができる。
なお、ＣＮＴの平均長さは、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択したカーボンナノチューブ１００本の長さを測定して求めることができる。
そして、ＣＮＴのＢＥＴ比表面積としては、６００ｍ2／ｇ以上であることが好ましく、８００ｍ2／ｇ以上であることがより好ましく、２６００ｍ2／ｇ以下であることが好ましく、１２００ｍ2／ｇ以下であることがより好ましい。ＣＮＴのＢＥＴ比表面積が上述の範囲内であれば、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高めることができる。
なお、ＣＮＴの「ＢＥＴ比表面積」は、７７Ｋにおける窒素吸着等温線を測定し、ＢＥＴ法により求めることができる。ここで、ＢＥＴ比表面積の測定には、例えば、「ＢＥＬＳＯＲＰ（登録商標）−ｍａｘ」（日本ベル（株）製）を用いることができる。
本発明で用いられるＣＮＴの製造方法としては、特に限定されることなく、二酸化炭素の接触水素還元による方法、アーク放電法、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、レーザー蒸発法、気相成長法、気相流動法、および、ＨｉＰＣＯ法等が挙げられる。中でも、上述した好ましい性状を有するＣＮＴは、例えば、カーボンナノチューブ製造用の触媒層を表面に有する基材上に、原料化合物およびキャリアガスを供給して、ＣＶＤ法によりＣＮＴを合成する際に、系内に微量の酸化剤（触媒賦活物質）を存在させることで、触媒層の触媒活性を飛躍的に向上させるという方法（スーパーグロース法；国際公開第２００６／０１１６５５号参照）により、効率的に製造することができる。なお、以下では、スーパーグロース法により得られるカーボンナノチューブを「ＳＧＣＮＴ」と称することがある。
また、ＣＮＴは、カルボキシル基等の官能基が導入されたものであってもよい。官能基の導入は、例えば、過酸化水素や硝酸等を用いる酸化処理法や、超臨界流体、亜臨界流体又は高温高圧流体との接触処理法などの既知の方法により行うことができる。
［金属ナノ粒子］
上述したＣＮＴに担持される金属ナノ粒子の平均粒子径は、好ましくは０．５ｎｍ以上、より好ましくは１．０ｎｍ以上であり、好ましくは１５ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは５．０ｎｍ以下である。平均粒子径が０．５ｎｍ以上である金属ナノ粒子は、ＣＮＴ上に安定して形成することができる。一方、金属ナノ粒子の平均粒子径が１５ｎｍ以下であれば、ＣＮＴの欠陥構造上への担持が容易となり、欠陥構造への補修効果が高まる。以上のことから、金属ナノ粒子の平均粒子径が上述の範囲内であれば、金属ナノ粒子の安定形成と欠陥構造の補修効果を両立させ、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高めることができる。
また、金属ナノ粒子の粒子径の標準偏差は、好ましくは１．５ｎｍ以下である。金属ナノ粒子の粒子径の標準偏差が上述の値以下であれば、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高めることができる。
なお、金属ナノ粒子の平均粒子径および粒子径の標準偏差は、透過型電子顕微鏡で観察し、無作為に選択された１００個の金属ナノ粒子の画像に基づいてその粒径を測定し、求めることができる。
そして、ＣＮＴに担持される金属ナノ粒子は、導電性を高めて熱電変換素子の熱電変換特性を更に向上させる観点から、遷移金属のナノ粒子であることが好ましい。そして同様の観点から、遷移金属としてはクロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、がより好ましく、パラジウムが更に好ましい。パラジウムのナノ粒子は、還元剤を用いたパラジウムイオンの還元反応によりＣＮＴ上に特に容易に析出させることができ、熱電変換特性の更なる向上に寄与しうる。なお、これらは１種類を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。また、これらの遷移金属と共にナノ粒子を構成しうる他の元素としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）が挙げられる。
金属担持ＣＮＴにおける金属ナノ粒子の担持量は特に限定されないが、金属ナノ粒子を欠陥構造上に十分に配置して熱電変換素子の熱電変換特性を一層高めることができる条件と、ＣＮＴの担持能および経済性を考慮すれば、ＣＮＴ１００質量部あたり、好ましくは１質量部以上、より好ましくは５質量部以上であり、好ましくは１００質量部以下、より好ましくは３０質量部以下である。
なお、「金属ナノ粒子の担持量」は、金属担持ＣＮＴを硝酸又は王水に溶解させ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析装置を用いて測定することができる。
［金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法］
そして、金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴは、例えば、ＣＮＴと金属前躯体を含む混合物中において金属前躯体を還元し、ＣＮＴの表面に金属ナノ粒子を析出させ、その後、任意に、精製をすることで製造することができる。ここで、上記金属前躯体を還元してＣＮＴの表面に金属ナノ粒子を析出させる方法としては、
（１）ＣＮＴと、金属前躯体と、還元剤と、任意に、反応溶媒とを含む混合物中の金属前躯体を還元剤により還元する方法、および
（２）ＣＮＴと、金属前躯体と、反応溶媒とを含む混合物中の金属前躯体をキャビテーション効果または解砕効果が得られる物理的エネルギーによる分散処理により還元する方法、
が挙げられる。上記（１）又は（２）の方法を用いれば、ＣＮＴの欠陥構造に選択的にナノ粒子を付着させることができ、導電性に優れる金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴを効率よく製造することができる。
［［（１）金属前躯体を還元剤により還元する方法］］
−ＣＮＴ−
ＣＮＴは、上述の「カーボンナノチューブ」の項で記載したものを使用する。
−金属前躯体−
金属前駆体は、還元反応によりＣＮＴの表面に金属ナノ粒子を形成し得る化合物である。金属前駆体は、還元反応により所望の金属ナノ粒子を生成しうるものであれば特に限定されない。金属前駆体の具体例としては、Ｐｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２（酢酸パラジウム）、Ｐｔ（ＮＨ３）２（ＮＯ２）２、（ＮＨ４）２［ＲｕＣｌ６］、（ＮＨ４）２［ＲｕＣｌ５（Ｈ２Ｏ）］、Ｈ２ＰｔＣｌ４、Ｈ２ＰｔＣｌ６、Ｋ２ＰｔＣｌ４、Ｋ２ＰｔＣｌ６、Ｈ２［ＡｕＣｌ４］、（ＮＨ４）２［ＡｕＣｌ４］、Ｈ［Ａｕ（ＮＯ３）４］Ｈ２Ｏ等が挙げられる。これらの中でも、Ｐｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２が好ましい。これらは１種類を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。
−還元剤−
還元剤としては、上記金属前躯体を還元することが出来る化合物であれば特に限定されない。還元剤の具体例としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、エタノール、ヒドラジン・ハイドレート、水素化ホウ素ナトリウム、ジボラン等が挙げられる。これらの中でも、還元剤として機能しつつ反応溶媒としてＣＮＴおよび金属前躯体を分散、溶解させ得る、ＤＭＦ、エタノール等の有機溶媒系還元剤が好ましい。なお、これらの還元剤は１種類を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。
また、還元剤として有機溶媒系還元剤を用いる場合、後述する反応溶媒を用いずとも、有機溶媒系還元剤中にＣＮＴおよび金属前躯体を分散、溶解させ、熱、光、マイクロ波、超音波などのエネルギーを加えることで、還元反応を起こすことが可能である。しかしながら、混合物中のＣＮＴおよび金属前躯体の分散状態を良好とする観点からは、有機溶媒系還元剤と反応溶媒を併用することが好ましい。この際の有機溶媒系還元剤と反応溶媒の混合比（質量基準）は、特に限定されることはなく、ＣＮＴの分散状態を鑑みながら任意に決定することができる
−反応溶媒−
混合物は、任意に反応溶媒を含有する。反応溶媒としては、ＣＮＴ、金属前躯体、および還元剤を溶解または分散させうるものであれば特に限定されない。反応溶媒としては、例えば、本発明の熱電変換素子用組成物に使用し得る「溶媒」として後述する有機溶媒のうち、上記還元剤に該当するものを除いた有機溶媒を使用可能である。これらの中でも、１−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）が好ましい。これらの反応溶媒は、１種類を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。
−混合物−
上記ＣＮＴ、上記金属前躯体、上記還元剤、および、任意に、上記反応溶媒を既知の方法で混合して、混合物を調製する。なお混合物中の各成分の濃度は、適宜調整することができる。
−還元剤による還元反応−
上記混合物中の金属前躯体を還元剤により還元する際の条件は、還元剤がその機能を発揮することが出来れば特に限定されない。例えば、還元剤としてＤＭＦを使用する場合、混合物を７０℃以上１２０℃以下で、１０分以上２時間以下反応させることが好ましい。また例えば、還元剤としてエタノールを使用する場合、２５℃以上７８℃以下で、１０分以上２時間以下反応させることが好ましい。
［［（２）金属前躯体をキャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により還元する方法］］
−ＣＮＴ、金属前躯体、反応溶媒−
ＣＮＴ、金属前躯体、反応溶媒は、上記（１）の方法と同様のものを用いることができる。
−混合物−
上記ＣＮＴ、上記金属前躯体、および上記反応溶媒を既知の方法で混合して、混合物を調製する。なお混合物中の各成分の濃度は、適宜調整することができる。
−キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理による還元反応−
キャビテーション効果が得られる分散処理は、液体に高エネルギーを付与した際、溶媒に生じた真空の気泡が破裂することにより生じる衝撃波を利用した分散方法である。この分散方法を用いることにより、混合物中の金属前躯体を還元し、ＣＮＴの表面に金属ナノ粒子を良好に析出させることができる。
ここで、キャビテーション効果が得られる分散処理の具体例としては、超音波による分散処理、ジェットミルによる分散処理および高剪断撹拌による分散処理が挙げられる。これらの分散処理は一つのみを行なってもよく、複数の分散処理を組み合わせて行なってもよい。より具体的には、例えば超音波ホモジナイザー、ジェットミルおよび高剪断撹拌装置が好適に用いられる。これらの装置は従来公知のものを使用すればよい。
超音波ホモジナイザーを用いる場合には、混合物に対し、超音波ホモジナイザーにより超音波を照射すればよい。照射する時間は、ＣＮＴの量等により適宜設定すればよく、例えば、１分以上が好ましく、２分以上がより好ましく、また、５時間以下が好ましく、２時間以下がより好ましい。また、例えば、出力は１０Ｗ以上５０Ｗ以下が好ましく、温度は０℃以上５０℃以下が好ましい。
また、ジェットミルを用いる場合、処理回数は、ＣＮＴの量等により適宜設定すればよく、例えば、２回以上が好ましく、５回以上がより好ましく、１００回以下が好ましく、５０回以下がより好ましい。また、例えば、圧力は２０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下が好ましく、温度は１５℃以上５０℃以下が好ましい。
さらに、高剪断撹拌を用いる場合には、粗分散液に対し、高剪断撹拌装置により撹拌および剪断を加えればよい。旋回速度は速ければ速いほどよい。例えば、運転時間（機械が回転動作をしている時間）は３分以上４時間以下が好ましく、周速は５ｍ／秒以上５０ｍ／秒以下が好ましく、温度は１５℃以上５０℃以下が好ましい。
なお、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理は、５０℃以下の温度で行なうことがより好ましい。反応溶媒の揮発による濃度変化が抑制されるからである。
解砕効果が得られる分散処理は、混合物中の金属前躯体を還元し、ＣＮＴの表面に金属ナノ粒子を良好に析出可能であることは勿論、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理に比べ、気泡が消滅する際の衝撃波によるＣＮＴの損傷を抑制することができる点で一層有利である。
この解砕効果が得られる分散処理では、混合物にせん断力を与えてＣＮＴの凝集体を解砕・分散させ、さらに混合物に背圧を負荷し、また必要に応じ、混合物を冷却することで、気泡の発生を抑制しつつ、還元反応を良好に進行させることができる。
なお、混合物に背圧を負荷する場合、混合物に負荷した背圧は、大気圧まで一気に降圧させてもよいが、多段階で降圧することが好ましい。
ここに、混合物にせん断力を与えて還元反応をさらに良好に進行させるには、例えば、以下のような構造の分散器を有する分散システムを用いればよい。
すなわち、分散器は混合物の流入側から流出側に向かって、内径がｄ１の分散器オリフィスと、内径がｄ２の分散空間と、内径がｄ３の終端部と（但し、ｄ２＞ｄ３＞ｄ１である。）、を順次備える。
そして、この分散器では、流入する高圧（例えば１０〜４００ＭＰａ、好ましくは５０〜２５０ＭＰａ）の混合物が、分散器オリフィスを通過することで、圧力の低下を伴いつつ、高流速の流体となって分散空間に流入する。その後、分散空間に流入した高流速の混合物は、分散空間内を高速で流動し、その際にせん断力を受ける。その結果、粗分散液の流速が低下すると共に、還元反応が良好に進行する。そして、終端部から、流入した粗分散液の圧力よりも低い圧力（背圧）の流体が、金属担持ＣＮＴを含む分散液として流出することになる。
なお、混合物の背圧は、混合物の流れに負荷をかけることで混合物に負荷することができ、例えば、多段降圧器を分散器の下流側に配設することにより、混合物に所望の背圧を負荷することができる。
そして、混合物の背圧を多段降圧器により多段階で降圧することで、最終的に金属担持ＣＮＴを含む分散液を大気圧に開放した際に、分散液中に気泡が発生するのを抑制できる。
また、この分散器は、混合物を冷却するための熱交換器や冷却液供給機構を備えていてもよい。というのは、分散器でせん断力を与えられて高温になった粗分散液を冷却することにより、混合物中で気泡が発生するのをさらに抑制できるからである。
なお、熱交換器等の配設に替えて、混合物を予め冷却しておくことでも、金属担持ＣＮＴを含む混合物中で気泡が発生することを抑制できる。
上記したように、この解砕効果が得られる分散処理では、キャビテーションの発生を抑制できるので、時として懸念されるキャビテーションに起因したＣＮＴの損傷、特に、気泡が消滅する際の衝撃波に起因したＣＮＴの損傷を抑制することができる。加えて、ＣＮＴへの気泡の付着や、気泡の発生によるエネルギーロスを抑制して、還元反応を良好に進行させることができる。
以上のような構成を有する分散システムとしては、例えば、製品名「ＢＥＲＹＵ ＳＹＳＴＥＭ ＰＲＯ」（株式会社美粒製）などがある。そして、解砕効果が得られる分散処理は、このような分散システムを用い、分散条件を適切に制御することで、実施することができる。
［［金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの精製］］
上述の（１）または（２）の方法による還元反応の後、必要に応じて、得られた分散液から還元剤および反応溶媒の除去、並びに洗浄などの精製を行い、金属担持ＣＮＴを単離することができる。なお、上記分散液はそのまま、あるいは濃縮して熱電変換素子用組成物の調製に用いてもよい。すなわち、還元反応に用いた反応溶媒をそのまま熱電変換素子用組成物の溶媒として使用してもよい。
＜樹脂成分＞
樹脂成分は、得られる熱電変換素子用成形体に可とう性を付与しつつ、熱電変換素子の動作温度に耐えうる材料であれば特に限定されない。樹脂成分の例としては、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖低密度ポリエチレン、架橋ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリブテン−１、ポリ−３−メチルペンテン、ポリ−４−メチルペンテン、ポリシクロオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体、エチレン−プロピレン共重合体、ポリエチレンとシクロオレフィン（ノルボルネン等）との共重合体等のポリオレフィン；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、塩化ゴム、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−エチレン共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン−酢酸ビニル三元共重合体、塩化ビニル−アクリル酸エステル共重合体、塩化ビニル−マレイン酸エステル共重合体、塩化ビニル−シクロヘキシルマレイミド共重合体等のハロゲン化ポリオレフィン；石油樹脂；クマロン樹脂；ポリスチレン；ポリ酢酸ビニル；ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂；ポリアクリロニトリル；ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂、ＳＢＳ樹脂、ＭＢＳ樹脂、耐熱ＡＢＳ樹脂等のスチレン系樹脂；ポリビニルアルコール；ポリビニルホルマール；ポリビニルブチラール；ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート等のポリアルキレンテレフタレート；ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート等のポリアルキレンナフタレート；液晶ポリエステル（ＬＣＰ）；ポリヒドロキシブチレート、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリ乳酸、ポリリンゴ酸、ポリグリコール酸、ポリジオキサン、ポリ（２−オキセタノン）等の分解性脂肪族ポリエステル；ポリフェニレンオキサイド；ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６，６、ナイロン６，１０、ナイロン６Ｔ、ナイロン６Ｉ、ナイロン９Ｔ、ナイロンＭ５Ｔ、ナイロン６，１２、ナイロンＭＸＤ６、パラ系アラミド、メタ系アラミド等のナイロン樹脂；ポリカーボネート樹脂；ポリアセタール樹脂；ポリフェニレンサルファイド；ポリウレタン；ポリイミド樹脂；ポリアミドイミド樹脂；ポリエーテルケトン樹脂；ポリエーテルエーテルケトン樹脂；アラビヤゴム；酢酸セルロースなどが挙げられる。これらは１種類を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。
そしてこれらの樹脂成分の中でも、金属担持ＣＮＴの分散性を高めつつ熱電変換素子用組成物から得られる熱電変換素子用成形体の成形性を向上させ、また、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高める観点からは、ポリオレフィンおよびハロゲン化ポリオレフィンが好ましく、ハロゲン化ポリオレフィンがより好ましく、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）が更に好ましい。
ここで、樹脂成分は絶縁性を有する樹脂（絶縁性樹脂）であることが好ましく、具体的には、導電率は１Ｓ・ｃｍ−１以下であることが好ましい。そして、樹脂成分の熱伝導率は、０．５Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以下であることが好ましく、０．３Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以下であることがより好ましい。また、樹脂成分は、結着性を有する樹脂（結着性樹脂）であることが好ましい。
なお、樹脂成分の導電率は、当該樹脂成分の薄膜を形成し膜厚を測定した後、薄膜の表面抵抗率を例えば「ロレスタ（登録商標）−ＧＰ（ＭＣＰ−Ｔ６００型）」（（株）三菱化学アナリテック製）などの抵抗率計で測定し、測定した膜厚と表面抵抗率とから求めることができる。また、樹脂成分の熱伝導率（к）は、熱拡散率α（ｍｍ２・Ｓ−１、２５℃）、比熱Ｃｐ（Ｊ・ｇ−１Ｋ−１、２５℃）および密度ρ（ｇ・ｃｍ−３）を用い、下記式を用いて算出することができる。
к＝α×Ｃｐ×ρ
ここで、式中熱拡散率α、比熱Ｃｐおよび密度ρは、以下の装置および方法で測定することができる。
α：ナノフラッシュアナライザー（ネッチジャパン社製、LFA 447/2-4/InSb NanoFlash Xe）
Ｃｐ：示差走査熱量計（ネッチジャパン社製、DSC 204 F1 Phoenix）
ρ:アルキメデス法
熱電変換素子用組成物の樹脂成分の配合量は、特に限定されないが、金属担持ＣＮＴ１００質量部当たり、１質量部以上であることが好ましく、３０質量部以上であることがより好ましく、５０質量部以上であることが更に好ましく、１００質量部以上であることが特に好ましく、１２０質量部以上であることが最も好ましく、３００質量部以下であることが好ましく、２５０質量部以下であることがより好ましく、２００質量部以下であることが更に好ましく、１８０質量部以下であることが特に好ましい。樹脂成分の配合量が上述の範囲内であれば、熱電変換素子の熱電変換特性を更に高めることが可能となる。
＜溶媒＞
本発明の熱電変換素子用組成物に使用し得る溶媒は、金属担持ＣＮＴおよび樹脂成分を溶解および／または分散しうるものであれば特に限定されない。溶媒としては、有機溶媒が好ましく、具体的には、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、アニソール、トリメチルベンゼン、p−フルオロフェノール、p−クロロフェノール、ｏ−クロロフェノール、およびパープルオロフェノール等の芳香族溶媒；テトラヒドロフラン、ジオキサン、シクロペンチルモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、および酢酸−３−メトキシブチル等のエーテル類；シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、およびジイソブチルケトン等のケトン類；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、１,３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ−テトラメチル尿素、Ｎ−メチル−ε−カプロラクタム、およびヘキサメチルリン酸トリアミド等の含窒素極性有機溶媒；酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸−ｎ−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸−ｎ−ペンチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸−ｎ−ブチル、γ−ブチロラクトン、およびγ−バレロラクトン等のエステル類；ジメチルスルホキシドが挙げられる。これらの溶媒は一種単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。そしてこれらの中でも、金属担持ＣＮＴの分散性向上の観点からは、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドが好ましく、Ｎ−メチル−２−ピロリドンがより好ましい。
なお、熱電変換素子用組成物中の溶媒の配合量は、金属担持ＣＮＴ、樹脂成分などの種類や量に応じて適宜調整することができる。
＜その他の成分＞
本発明の熱電変換素子用組成物は、上述した金属担持ＣＮＴ、樹脂成分、および溶媒以外の成分を含んでいてもよい。そのような他の成分としては、特に限定されないが、高分子遷移金属錯体、カーボンナノチューブ分散剤、トリフェニルホスフィン、セルロース、熱電変換材料層に使用される既知の無機熱電変換材料などが挙げられる。
ここで、高分子遷移金属錯体は、熱電変換素子における電子などのキャリアの輸送を促進しうる成分であり、ポリ（Ｍ １,１,２,２−エテンテトラチオラート）の塩が挙げられる。ここで、Ｍは金属を表し、ニッケル、銅、パラジウム、コバルト、鉄が挙げられる。また塩の種類としては、ナトリウム塩、カリウム塩、銅塩、およびアルキルアンモニウム塩（アルキル基の水素原子が任意の官能基に置換されたものを含む）が挙げられる。なお本発明において、高分子遷移金属錯体に該当するものは、上述した樹脂成分には含まれないものとする。
カーボンナノチューブ分散剤としては、ドデシルスルホン酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどの界面活性剤が挙げられる。
また、無機熱電変換材料としては、特に限定されないが、特開２０１５−１７０７６６号公報に記載のものが挙げられる。
これらのその他の成分の配合量は、適宜調整することができる。
＜熱電変換素子用組成物の製造方法＞
熱電変換素子用組成物は、上述した成分を既知の方法で混合することにより製造することができるが、金属担持ＣＮＴ、樹脂成分、および溶媒を含む粗混合物を、キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により混合する工程を経て製造することが好ましい。キャビテーション効果が得られる分散処理または解砕効果が得られる分散処理を用いて熱電変換素子用組成物を調製すれば、金属担持ＣＮＴが良好に分散され、熱電変換素子に、優れた熱電変換特性を十分に発揮させることができるからである。
キャビテーション効果が得られる分散処理としては、「金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法」の項で上述したものと同様の処理を用いることができる。この分散方法を用いることにより、金属担持ＣＮＴを良好に分散させることができる。
ここで、上記粗混合物の混合に超音波ホモジナイザーを用いる場合において、超音波を照射する時間は、例えば、１分以上が好ましく、５分以上がより好ましく、また、５時間以下が好ましく、２時間以下がより好ましい。また、例えば、出力は２０Ｗ以上であれば、十分にキャビテーション効果を得ることができる。なお、温度は０℃以上５０℃以下が好ましい。
また、上記粗混合物の混合にジェットミルを用いる場合において、処理回数は、例えば、２回以上が好ましく、５回以上がより好ましく、１００回以下が好ましく、５０回以下がより好ましい。また、例えば、圧力は２０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下が好ましく、温度は０℃以上５０℃以下が好ましい。
さらに、上記粗混合物の混合に高剪断撹拌を用いる場合において、旋回速度は速ければ速いほどよい。例えば、運転時間（機械が回転動作をしている時間）は３分以上４時間以下が好ましく、周速は５ｍ／秒以上５０ｍ／秒以下が好ましく、温度は１５℃以上５０℃以下が好ましい。
なお、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理は、５０℃以下の温度で行なうことがより好ましい。溶媒の揮発による濃度変化が抑制されるからである。
解砕効果が得られる分散処理としては、「金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法」の項で上述したものと同様の処理を用いることができる。この分散処理によれば、金属担持ＣＮＴを溶媒中に均一に分散できることは勿論、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理に比べ、気泡が消滅する際の衝撃波による金属担持ＣＮＴの損傷を抑制することができる点で一層有利である。
そして、解砕効果が得られる分散処理は、「金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法」の項で上述した構造の分散器を有する分散システムを用いることが好ましい。
（熱電変換素子用成形体）
本発明の熱電変換素子用成形体は、本発明の熱電変換素子用組成物から、例えば、溶媒の少なくとも一部を除去することにより形成することができる。このようにして得られる熱電変換素子用成形体は、少なくとも、金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴと、樹脂成分とを含み、任意に、「熱電変換素子用組成物」の項で「その他の成分」として上述した成分を含む。なお、熱電変換素子用成形体中のそれら各成分の好適な存在比は、熱電変換素子用組成物中のものと同じである。そして、本発明の熱電変換素子用成形体は、本発明の熱電変換素子用組成物を用いて形成されているので、当該熱電変換素子用成形体を熱電変換材料層として使用すれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させることができる。
なお、熱電変換素子用成形体の形状は、熱電変換素子の熱電変換材料層として使用可能であれば特に限定されないが、フィルム状が好ましい。また熱電変換素子用成形体の厚みは、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましく、１μｍ以上であることが更に好ましく、１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。熱電変換素子用成形体の厚みが０．０５μｍ以上であれば、熱電変換素子用成形体の強度を確保することができ、１００μｍ以下であれば、金属担持ＣＮＴの平面方向の配向性向上により導電性が高まるためと推察されるが、熱電変換素子の熱電変換特性を更に向上させることができる。なお、熱電変換素子用成形体の厚みが特に５μｍ以下である場合、熱電変換素子の熱電変換特性が大きく向上する。これは、熱電変換素子用成形体の厚みを５μｍ以下とすることにより、金属担持ＣＮＴ自身のチルト角がほぼ０°となり、平面方向の配向性が飛躍的に向上するためであると考えられる。
（熱電変換素子用成形体の製造方法）
上述した本発明の熱電変換素子用成形体は、本発明の熱電変換素子用成形体の製造方法を用いて製造することができる。具体的に、本発明の熱電変換素子用成形体の製造方法は、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分および溶媒を含む粗混合物を、キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により混合して熱電変換素子用組成物を得る工程（熱電変換素子用組成物調製工程）と、前記熱電変換素子用組成物から前記溶媒を除去する工程（溶媒除去工程）を含むことを特徴とする。本発明の熱電変換素子用成形体の製造方法は、本発明の熱電変換素子用組成物を使用し、更に当該組成物の調製にキャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理を採用しているため、当該製造方法によれば、熱電変換素子に優れた熱電変換特性を十分に発揮させ得る熱電変換素子用成形体を得ることができる。
＜熱電変換素子用組成物調製工程＞
「熱電変換素子用組成物」の項で上述した様に、キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理を用いて熱電変換素子用組成物を調製することができる。
＜溶媒除去工程＞
熱電変換素子用組成物から溶媒を除去して熱電変換素子用成形体を形成する方法は、特に限定されない。例えば、熱電変換素子用組成物を基材上に塗布又は流延などにより供給した後、基材上に形成された熱電変換素子用組成物の被膜から溶媒を除去することで、フィルム状の熱電変換素子用成形体を製造することができる。
そして、熱電変換素子用組成物を塗布する基材としては、既知のものが挙げられ、例えば特開２０１４−１９９８３７号公報に記載のものを用いることができる。
また、熱電変換素子用組成物の被膜から溶媒を除去する方法は特に限定されず、当該被膜を加熱する方法や、当該被膜を室温下又は加熱下に減圧雰囲気下に置く方法等が挙げられる。これらの条件は、適宜設定することができる。
なお、上記の方法により形成される熱電変換素子用成形体に、有機溶媒、糖類の水溶液、酸又は塩基を含む水溶液等の処理液と接触させる処理を施してもよい。この処理により、熱電変換素子用成形体の導電率を向上させることができる。上記の処理液としては、通常、成形体を膨潤させたり、劣化させたりしないものが選択される。成形体に処理液を接触させる方法は特に限定されず、例えば、処理液の成形体への塗布や、成形体の処理液中への浸漬等が挙げられる。
上記の処理液として使用される有機溶媒の好適例としては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｎ−ペンタノール、ｎ−ヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、およびグリセリン等の脂肪族アルコール類；トルエン、キシレン、およびエチルベンゼン等の芳香族溶媒；ジエチルエーテル、ジ−ｎ−プロピルエーテル、ジオキサン、およびテトラヒドロフラン等のエーテル類が挙げられ、糖類の水溶液の好適例としては、グルコースやキシリトールの水溶液が挙げられ、そして、酸又は塩基を含む水溶液の好適例としては、塩酸や硫酸を含む水溶液が挙げられる。
（熱電変換素子）
本発明の熱電変換素子は、本発明の熱電変換素子用成形体を含む熱電変換材料層を備えることを特徴とする。このような熱電変換素子の構造は特に限定されず既知のものを採用することができるが、熱電変換素子は、例えば基材上の熱電変換材料層に二つの電極を取り付けることで作製することができる。電極は特に限定されず、例えば特開２０１４−１９９８３７号公報に記載のものを用いることができる。また、熱電変換材料層と二つの電極の位置関係は、特に限定されない。例えば、熱電変換材料層の両端に電極が配置されていてもよいし、熱電変換材料層が二つの電極で挟まれていてもよい。
そして、本発明の熱電変換素子は、複数の熱電変換素子を備える熱電変換モジュールに使用することができる。具体的な熱電変換モジュールとしては、例えば、複数の熱電変換素子を板状または円筒状に組み合わせてなる熱電変換モジュールであって、当該複数の熱電変換素子の少なくとも１つが本発明の熱電変換素子である。このような熱電変換モジュールは、本発明の熱電変換素子を備えているため、高効率の発電が可能である。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
なお、実施例および比較例で得られた熱電変換素子用成形体は、以下の方法で評価および分析した。
＜導電率およびパワーファクター（ＰＦ）＞
熱電特性評価装置（アドバンス理工社製、ZEM-3）を用いて、真空中５０〜１１０℃の温度下で、１〜５℃程度の温度差をつけた時の、熱電変換素子用成形体のゼーベック係数Ｓ（μＶ・Ｋ−１）および導電率σ（Ｓ・ｃｍ−１）を測定した。そしてパワーファクター（μＷ・ｍ−１・Ｋ−２）を、下記式を用いて算出した。
ＰＦ＝Ｓ２×σ／１００００
パワーファクターは温度変化当たりの発電力を示す指標であり、パワーファクターが大きい程熱電変換特性に優れることを意味する。
（実施例１）
＜カーボンナノチューブの調製＞
国際公開第２００６／０１１６５５号の記載に従い、スーパーグロース法によりＣＮＴ（ＳＧＣＮＴ、単層ＣＮＴを含む。平均直径：３．５ｎｍ、平均長さ：０．３ｍｍ、比表面積：１０００ｍ２／ｇ）を調製した。
＜金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴの調製＞
上述のカーボンナノチューブと金属前躯体としての酢酸パラジウムを、還元剤としてのＤＭＦと反応溶媒としてのＮＭＰの混合溶媒（混合比（質量基準）はＤＭＦ：ＮＭＰ＝１：１）に分散又は溶解させ、混合物を得た。なお、この混合物中のＣＮＴ濃度は０．３５ｍｇ／ｍＬ、酢酸パラジウムの濃度は１．４ｍＭであった。次いで得られた混合物を１００℃で４５分間保持し、金属前躯体の還元反応を進行させた。反応後の混合物を吸引ろ過後、ろ紙上に得られた残渣をメタノールとＮＭＰで洗浄し、当該残渣をさらに７０℃で３００分乾燥させた。乾燥後、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、パラジウムのナノ粒子が担持されたＣＮＴ（金属担持ＣＮＴ−１）が得られたことを確認した。またＣＮＴに担持したパラジウムのナノ粒子の平均粒子径は２．３ｎｍ、粒子径の標準偏差は０．７ｎｍであった。なおＴＥＭにより、ＣＮＴの欠陥構造部分と考えられる箇所にパラジウムのナノ粒子が選択的に担持されていることを確認した。
＜熱電変換素子用組成物の製造＞
上記のようにして得られた金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴ３．３７ｍｇ（１００質量部）、樹脂成分としてのポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）４．５０ｍｇ（１３４質量部）、そして溶媒としてのＮＭＰ３．０ｍＬを、６ｍＬのスクリュー管内に投入し、超音波バス（タイテック社製）で１０分間、超音波ホモジナイザー（プラソン社製）で１０分間分散処理を施し、熱電変換素子用組成物を得た。
＜熱電変換素子用成形体の製造＞
上記得られた熱電変換素子用組成物を、ポリイミド基板上に塗布した後、同基板を６０℃で１２時間、１３０℃で０．５時間加熱して基板上の熱電変換素子用組成物を乾燥させて、フィルム状の熱電変換素子用成形体（厚み：３．３ｍｍ）を得た。そして、各種測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例２）
＜金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴの調製＞
上述のカーボンナノチューブと金属前躯体としての酢酸パラジウムを、反応溶媒としてのＮＭＰに分散／溶解させ、混合物を得た。なお、この混合物中のＣＮＴ濃度は１．２１ｍｇ／ｍＬ、酢酸パラジウム濃度は２．０ｍＭであった。次いで得られた混合物を０℃に冷却しながら、超音波ホモジナイザー（プラソン社製）を用いて、出力２０Ｗで３分間、キャビテーション効果が得られる分散処理を施すことにより、金属前躯体の還元反応を進行させた。反応後の混合物を吸引ろ過後、ろ紙上に得られた残渣をメタノールとＮＭＰで洗浄し、当該残渣を７０℃で３００分乾燥させた。乾燥後、ＴＥＭにより、パラジウムのナノ粒子が担持されたＣＮＴ（金属担持ＣＮＴ−２）が得られたことを確認した。またＣＮＴに担持したパラジウムのナノ粒子の平均粒子径は２．１ｎｍ、粒子径の標準偏差は０．５ｎｍであった。なおＴＥＭにより、ＣＮＴの欠陥構造の部分にパラジウムのナノ粒子が選択的に担持されていることを確認した。
＜熱電変換素子用組成物および熱電変換素子用成形体の製造＞
金属担持ＣＮＴ−１に替えて、上述のようにして得られた金属担持ＣＮＴ−２を使用した以外は、実施例１と同様にして、熱電変換素子用組成物および熱電変換素子用成形体（厚み：３．１ｍｍ）を製造した。そして、各種測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例３）
表１のように熱電変換素子用成形体の厚みを変更した以外は、実施例１と同様にして、金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴ、熱電変換素子用組成物および熱電変換素子用成形体を製造した。そして各種測定を行った。結果を表１に示す。なお熱電変換素子用成形体の厚みは、ポリイミド基板上への熱電変換素子用組成物の塗布量を変更することで調整した。
（比較例１）
熱電変換素子用組成物の調製の際に、金属担持ＣＮＴ−１に替えて、金属ナノ粒子が担持されていない単層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−３、名城ナノカーボン社製、eDIPS（商品名）、平均直径：１．４ｎｍ、平均長さ：０．１ｍｍ、比表面積：５００ｍ２／ｇ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、熱電変換素子用組成物および熱電変換素子用成形体を製造した。そして各種測定を行った。結果を表１に示す。
（比較例２）
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−４、ＳＧＣＮＴ、単層ＣＮＴを含む。平均直径：３．５ｎｍ、平均長さ：０．３ｍｍ、比表面積：１０００ｍ２／ｇ）、樹脂成分としてのポリ塩化ビニル、そして溶媒としてのＮＭＰを混合した。得られた混合液と、パラジウムのナノ粒子（平均粒子径：６．３ｎｍ）のＮＭＰ分散液とを、カーボンナノチューブ、樹脂成分、パラジウムのナノ粒子、およびＮＭＰの混合比（質量基準）が実施例１と同様となるように６ｍＬのスクリュー管内に投入し、超音波バス（タイテック社製）で１０分間、超音波ホモジナイザー（プラソン社製）で１０分間分散処理を施し、熱電変換素子用組成物を得た。なおＴＥＭにより、パラジウムのナノ粒子はＣＮＴに担持されていないことを確認した。そして実施例１と同様にして熱電変換素子用成形体を製造し、各種測定を行った。結果を表１に示す。
Figure 2017122805
表１から、金属ナノ粒子が担持されたＣＮＴを使用した実施例１〜３では、パワーファクター（ＰＦ）に優れる熱電変換素子用成形体が得られ、即ち当該熱電変換素子用成形体を熱電変換材料層に用いることで、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうることがわかる。
また、金属ナノ粒子が担持されていないＣＮＴを使用した比較例１では、パワーファクター（ＰＦ）の値が小さく、即ち実施例１〜３に比して、熱電変換素子の熱電変換特性を十分に確保することができないことがわかる。
また、金属ナノ粒子が担持されていないＣＮＴを使用しつつ、別途金属ナノ粒子を熱電変換素子用成形体に配合させた比較例２は、成形体の厚みが同じである実施例１に比してパワーファクター（ＰＦ）の値が小さい。このことから、金属ナノ粒子とＣＮＴを単に併用しただけでは、熱電変換特性向上効果が十分でなく、金属ナノ粒子がＣＮＴに担持されることによって、所望の熱電変換特性向上効果が得られることがわかる。
本発明によれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる熱電変換素子用組成物を提供することができる。
本発明によれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法を提供することができる。
本発明によれば、熱電変換素子に十分に優れた熱電変換特性を発揮させうる熱電変換素子用成形体を提供することができる。
本発明によれば、熱電変換特性に十分に優れる熱電変換素子を提供することができる。

Claims (10)

  1. 金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分および溶媒を含む、熱電変換素子用組成物。
  2. 前記金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを構成するカーボンナノチューブの比表面積が６００ｍ２／ｇ以上である、請求項１に記載の熱電変換素子用組成物。
  3. 前記金属ナノ粒子が、遷移金属のナノ粒子を含む、請求項１または２に記載の熱電変換素子用組成物。
  4. 前記遷移金属がパラジウムである、請求項３に記載の熱電変換素子用組成物。
  5. 少なくともカーボンナノチューブ、金属前躯体、および還元剤を含む混合物中の前記金属前躯体を前記還元剤により還元して、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを得る工程を含む、
    金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法。
  6. 少なくともカーボンナノチューブ、金属前躯体、および反応溶媒を含む混合物中の前記金属前躯体をキャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により還元して、金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブを得る工程を含む、
    金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法。
  7. 請求項１〜４の何れかに記載の熱電変換素子用組成物を用いて形成される熱電変換素子用成形体。
  8. 厚みが０．０５μｍ以上１００μｍ以下である、請求項７に記載の熱電変換素子用成形体。
  9. 金属ナノ粒子が担持されたカーボンナノチューブ、樹脂成分および溶媒を含む粗混合物を、キャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理により混合して熱電変換素子用組成物を得る工程と、
    前記熱電変換素子用組成物から前記溶媒を除去する工程を含む、熱電変換素子用成形体の製造方法。
  10. 請求項７または８に記載の熱電変換素子用成形体を含む熱電変換材料層を備える、熱電変換素子。
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