筑波大ら,永続的に熱エネルギーを保存するセラミックを発見

筑波大学と東京大学の研究グループは,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た(ニュースリリース)。光メモリなどへの応用も期待できるという。

蓄熱材料には,レンガやコンクリートなどの与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-液体相転移の転移熱を利用する材料があるが,いずれの場合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う。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,再生エネルギーとしての有効利用が可能となる。

研究グループは,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た。この物質は,チタン原子と酸素原子のみからできた,ストライプ型-ラムダ-五酸化三チタン(stripe-type λ-Ti3O5)と名付けた物質で,230 kJ L−1の熱エネルギーを吸収,放出できる。

この熱エネルギーの大きさは水の融解熱の約70%,エチレングリコールの約140%に相当する。このストライプ型-ラムダ-五酸化三チタンは,白色顔料として知られるルチル型二酸化チタン(TiO2)をある条件下で焼成することにより得られる。安定な材料だが,圧力を加えると60メガパスカル(MPa)という弱い圧力で,ラムダ構造からベータ-五酸化三チタン(β-Ti3O5)へ相転移する。

この圧力を加えることにより生成したベータ-五酸化三チタンは,200ºC以上の熱を与えるとラムダ構造に再び相転移し,室温に戻っても,そのままのラムダ構造を維持する。加熱することによりベータ構造からラムダ構造への蓄熱と,圧力を加えることによりラムダ構造からベータ構造への放熱を繰り返し起こすことができる。また,電流を流した場合や,光を照射した場合にも,ベータ-五酸化三チタンからラムダ-五酸化三チタンへの相転移が起こることを確認しており,多彩な方法で熱エネルギーを吸収・放出できることがわかった。

ストライプ型-ラムダ-五酸化三チタンは,固体材料であるため取り扱いが非常に容易。熱伝導率がちょうど耐熱用レンガやコンクリートと同程度であることから,永続的に熱を蓄えることができる青色のレンガのようなものだとしている。また,顔料や塗料として用いられているTiO2を還元雰囲気下で焼くだけで得られる単なる酸化チタンであるため,経済的で環境にもやさしい。

これを利用すれば,日中に得られた太陽熱エネルギーや溶鉱炉の廃熱エネルギーなどを効率良く蓄え,夜間発電や夜間暖房など必要な時に圧力を加えて熱エネルギーとして取り出すという再生エネルギー利用技術として期待される。また,感圧シートや繰り返し使用可能なカイロなどとしての応用や,電流や光などの外部刺激による相変化する物質なので,感圧の伝導度センサ,電流駆動型の抵抗変化型メモリ(ReRAM),光記録メモリとしての応用も期待されるとしている。

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