低温でも機能する蓄熱材料 エネルギー密度が1.3倍向上：研究開発の最前線

東北大学は、100℃以下の低温でも機能する、低温蓄熱材料の開発に成功した。空気中の水分子を吸着、放出して蓄放熱する層状二酸化マンガンを数nmのシート状に微細化し、蓄熱エネルギー密度をバルク状比で1.3倍向上させた。

[MONOist]

　東北大学は2025年6月24日、100℃以下の低温でも機能する、低温蓄熱材料の開発に成功したと発表した。日本原子力研究開発機構との共同研究による成果だ。

　研究グループは、空気中の水分子を吸着、放出して蓄放熱する層状二酸化マンガン（MnO₂）を厚さ数nmのシート状に微細化し、蓄熱エネルギー密度をバルク状に比べて1.3倍向上させた。微細化することで表面積が大幅に増大し、60℃以下の低温域でも水分子の表面吸着を確認した。

　この表面吸着と、130℃付近で生じる水分子の層間インターカレーション（バルク吸収）の二段階蓄熱メカニズムにより、吸着可能な水分子量は従来比約1.5倍、蓄熱エネルギー密度は約1.3倍（二酸化マンガン1kg当たり237kJから298kJ）に向上。100℃以下の低温域でも有効な蓄熱動作が可能になった。

層状二酸化マンガンの水インターカレーション反応 出所：東北大学

インターカレーションと表面吸着による二段階蓄熱の様子と表面吸着水の状態 出所：東北大学

　さらに、インターカレーション水と表面吸着水の収容サイト数をシート厚から予測するモデルを考案し、インターカレーション水は固体的、表面吸着水は液体的な状態で吸着されていることを解明した。

インターカレーションおよび表面吸着による水分子収容密度とシート厚みの関係を示す幾何学モデル［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　同材料は、昼間の太陽熱を夜間の暖房へ転用する低炭素型ヒートマネジメント技術、機械暖気やオフライン廃熱輸送、熱電変換との組み合わせによる場所や時間を選ばない発電など、さまざまな省エネルギー技術への応用が期待できる。

　蓄熱エネルギー密度をさらに向上させるためには、少なくとも10層（約7nm厚）以下に薄シート化し、最終的にはモノシート化することが有効だ。今後は、より薄いシート構造を持つ層状二酸化マンガンを作製し、吸着量が蓄放熱量へどの程度寄与するかを解明する。また、エネルギー分光的な手法を用いた詳細な検証も行っていく。

　脱炭素社会に向けて、200℃以下の低温廃熱の有効活用が求められており、低温廃熱を貯蔵し再利用する蓄熱材料の開発が課題となっている。層状二酸化マンガンは、約130℃で大気中の水分子を層間に取り込む、高密度かつ高速に蓄放熱可能な材料として注目されている。

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