低温域での熱電性能に優れるn型カーボンナノチューブ糸を作製――エネルギーハーベスティングでの実用化に期待岡山大学ら

岡山大学は2024年4月30日、同大学院自然科学研究科と東京工業大学、中国Southern University of Science and Technologyの共同研究チームが、低温域での熱電性能に優れるn型カーボンナノチューブ（CNT）糸を作製したと発表した。

ナノスケールで円筒構造を有する炭素材料であるCNTは、機械的柔軟性や人体適応性に優れるため、日常生活で生じる低温排熱を活用するエネルギーハーベスティングにおいて、熱電変換材料としての活用が期待されている。

一方で、CNTは既存の材料と比較して熱電変換特性が低いことが課題となっていた。

熱電変換デバイスの構造の一つであるπ型熱電変換モジュールの作製には、n型とp型双方の熱電変換材料が求められる。特にn型CNTは、大気安定性に欠けることから高い熱電変換特性を得ることが困難だった。

今回の研究では、CNTを無数に束ねたCNT紡績糸に最大3100℃の通電加熱処理を加えることで、I_G/I_Dを向上させた。I_G/I_Dとは、CNTのラマン散乱分光において、CNTの六員環構造に由来するGバンド強度（I_G）と欠陥に由来するDバンド強度（I_D）の比を指す。値が大きいほど、CNTの結晶性が高いことを示す。

次いで、ドーピング処理を最適化した。N-DMBIの溶媒がドーピングの効果に大きく影響したことにより、o-ジクロロベンゼンが大きな負のゼーベック係数（単位温度差当たりに生じる起電力）を得るにあたって最適な溶媒であることを明らかにしている。

これらの処理を施したCNT紡績糸は、室温付近の30℃で1534µW/mK、200℃で2800µW/mKとそれぞれ高いパワーファクターに達した。

さらに、このCNT紡績糸の熱電変換性能における2カ月間の大気安定性を、一般的なn型ドーパント高分子のポリエチレンイミン（PEI）と比較した。PEIではパワーファクターが55％低下した一方で、N-DMBIでは4％の低下に留まっている。

加えて、無次元性能指数（ZT）を評価したところ、CNTでは高いZT（~1.7×10^-2）を有することが判明した。ZTは、熱電変換のエネルギー変換性能の指標となる。

(a) I_G/I_Dの通電加熱温度依存性
(b) N-DMBIドープCNT紡績糸のパワーファクターの温度依存性
(c) パワーファクターの大気安定性
(d) 各処理のCNT紡績糸のZT

これらの技術を応用し、柔らかな素材にCNT紡績糸を巻き付けて両側をp型とn型にドーピングし、π型の熱電変換モジュールを作製した。同モジュールから低温域で電力を取り出せることを実証している。

(a)CNT 紡績糸を用いたπ型熱電変換モジュールの模式図
(b)同モジュールの写真
(c)同モジュールの出力特性

エネルギーハーベスティングにおいて今回の技術が実用化されることで、IoE（あらゆるものがインターネットに接続する）社会の実現に寄与することが期待される。

低温域での熱電性能に優れるn型カーボンナノチューブ糸を作製――エネルギーハーベスティングでの実用化に期待　岡山大学ら