【エネルギー技術/計算物理学】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

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共同発表：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
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20160125/index.html

１．国立研究開発法人物質・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
（花村克悟　総括）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。

（以下略）