永続的に熱エネルギーを保存できる“蓄熱セラミックス”を発見 蓄えたエネルギーを弱い圧力によって放出する新概念の素材
ストライプ型-ラムダ-五酸化三チタン(図中ではラムダ-五酸化三チタンと表記)で発見された新概念“蓄熱セラミックス”
(a)加熱により230 kJ L－1の熱エネルギーを蓄え、弱い圧力(60 MPa)で放出する。その他に、(b)電流を流す、(c)光を照射するという多彩な方法でエネルギーを蓄熱することができる。
© 2015 大越 慎一
東京大学大学院理学系研究科の大越慎一教授らは、永続的に熱エネルギーを保存できるセラミックス“蓄熱セラミックス(heat storage ceramics)”という新概念の物質を発見しました。蓄熱した大きな熱エネルギーを、弱い圧力を加えることで自在に取り出すことができるため、太陽熱発電システムや工場廃熱用の蓄熱材として、蓄熱エネルギーを再生利用できる新材料として期待されます。
熱を蓄えることのできる蓄熱材料には、レンガやコンクリートなどのくわえられた熱がゆっくり冷める材料と、水やエチレングリコールのような固体から液体へと変わる際に発生する熱を利用する材料が知られています。しかし、いずれの材料も熱エネルギーを長時間保存することはできず、時間経過に伴い自然に放出されてしまいます。もし、蓄熱したエネルギーを長時間保存でき、望みのタイミングで取り出すことができれば、再生エネルギーの分野で有効に利用できる材料となる可能性があります。
大越教授らが発見した蓄熱セラミックスは、チタン原子と酸素原子のみから構成され、ストライプ型-ラムダ-五酸化三チタンと呼ばれる物質で、230 kJ L－1 (55 kcal)の熱エネルギーを吸収・放出できることがわかりました。これは水の融解熱の約70%に相当する大きな熱量です。また、ストライプ型-ラムダ-五酸化三チタンは、60 MPa (メガパスカル)という弱い圧力を加えることによりベータ-五酸化三チタンへと変わります。その際に、保存した熱エネルギーも同時に放出するため、弱い圧力によって蓄えた熱エネルギーを取り出せることも明らかになりました。本物質に熱を加えるという方法以外にも、電流を流したり、光を照射したりという方法でもエネルギーを蓄熱することができ、多彩な方法で熱エネルギーの保存と放出を繰り返しできる物質です。
今回発見したストライプ型-ラムダ-五酸化三チタンは単なる酸化チタンであり、環境にやさしく、埋蔵量も豊富で資源的にも恵まれた材料です。本蓄熱セラミックスは、欧州などで進められている太陽熱発電システムや、工場での廃熱エネルギーを有効に再生利用できる新素材として期待されるほか、感圧シート、繰り返し使用可能なポケットカイロ、感圧伝導度センサー、電流駆動型の抵抗変化型メモリー(ReRAM)、光記録メモリーなどの先端電子デバイスとしての新部材としての可能性も秘めています。
論文情報
, "External stimulation-controllable heat-storage ceramics", Nature Communications 6, Article number:7037, 2015, doi:10.1038/ncomms8037.
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