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2016年3月 5日 (土)

ナノ粒子を利用した太陽熱による高効率な水の加熱に成功~セラミックスのプラズモン共鳴を用いた太陽熱利用の促進に期待~

平成28年1月25日
物質・材料研究機構(NIMS)
科学技術振興機構(JST)
 
詳細は、リンクを参照して下さい。
 
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1.物質・材料研究機構(以下NIMS)
  国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
  (MANA)、ナノシステム光学
  グループの石井 智 MANA研究者、
  長尾 忠昭 グループリーダーらの
  研究チームは、遷移金属窒化物や
  炭化物のナノ粒子注1)が、
  太陽光吸収効率が高いことを
  数値計算で明らかにし、実際に
  窒化物のナノ粒子を水に分散させた
  実験で水温上昇速度などが速いことを
  確認しました。
 
  今後これらのナノ粒子は、
  太陽光を利用した水の加熱・蒸留
  などへの応用が期待されます。
 
2.太陽光は最も有望な再生可能
  エネルギーの1つで、その利用方法
  として太陽電池などを用いた発電
  のほかに、太陽光を吸収して
  熱に変える光熱変換による給湯など
  が挙げられます。
 
  家庭の用途別消費エネルギー
  において給湯と暖房の割合は
  合計で55%に達するため、
  太陽光を無駄なく熱に変えて
  利用できれば、電気を使わずに
  給湯や暖房ができるため
  二酸化炭素の削減にも繋がります。
 
  太陽光を吸収するために
  従来のように集熱パネルや
  集熱パイプを用いると伝熱ロスが
  発生するため、水などの媒質に
  分散させることで直接加熱できる
  ナノ粒子に注目が集まっています。
 
3.今回研究チームは、NIMS
  環境・エネルギー材料部門
  環境再生材料ユニット 触媒機能材料
  グループの梅澤 直人 主任研究員
  らと共同で第一原理計算注2)を
  行い、太陽光の光熱変換に適した
  ナノ粒子材料の探索および物性値の
  予測を行いました。
 
  その結果、セラミックスである
  遷移金属窒化物と遷移金属炭化物の
  太陽光吸収効率が高いことを
  明らかにしました。
 
  さらに、遷移金属窒化物の中でも
  窒化チタンに注目し、窒化チタン
  ナノ粒子を水に分散させて
  太陽光を照射したところ、
  9割に近い高効率で光を熱に変換する
  ことを実験的に確認しました。
 
  窒化チタンのナノ粒子は広帯域な
  プラズモン共鳴注3)を示すため、
  ナノ粒子1個当たりの太陽光吸収効率
  では金や炭素のナノ粒子よりも
  高い性能を示すと考えられます。
 
  今後、この成果を床暖房や給湯
  および汚水や海水の蒸留などに
  応用することを検討しています。
 
  これら以外のナノ粒子の応用として、
  高分子とナノ粒子との
  ハイブリット材料の開発や、
  ナノ粒子を介した化学反応の促進
  などにも取り組んでいます。
 
4.本研究は、科学技術振興機構(JST)
  戦略的創造研究推進事業 チーム型
  研究(CREST)
  「エネルギー高効率利用のための
  相界面科学」研究領域における
  研究課題「セラミックスヘテロ層
  における界面電磁場制御と
  熱エネルギー利用」
  (研究代表者:長尾 忠昭)の
  一環として行われました。
 
5.本研究成果のうち数値計算と
  実験に関する部分は、
  The Journal of
   Physical
   Chemistry C誌にて
  2016年1月25日に掲載されます。
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 「太陽熱による高効率な水の加熱」は
重要です。
 
>家庭の用途別消費エネルギーにおいて
>給湯と暖房の割合は合計で55%に
>達する。
 のですから、
 
 急騰に使うのにわざわざ電力にする
必要はない。
 
 効率も悪いし、二酸化炭素も余計に
発生する。
 
 
 9割に近い高効率で光を熱に変換出来る
だけでなく、
 
>高い蒸発量を生かして汚水や海水の
>蒸留を行うことも可能です。
>今回の実験から試算すると、
>例えば10Lの汚水から5時間で
>約1Lの蒸留水が得られます。
 
>ナノ粒子を用いた蒸留器は太陽光のみで
>動作し構造が簡易にできるため、
>災害時や社会インフラの整っていない国
>や地域などでの利用が想定されます。
 良いですね。
 
 更なる発展に期待しています。

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