【岡山大学】次世代有機高分子系複合熱電変換材料の新しい設計指針を確立～熱電変換複合材料設計のための体系的指針～

2025（令和7）年 10月 18日
国立大学法人岡山大学

https://www.okayama-u.ac.jp/

＜発表のポイント＞

• 個別に報告されてきた「排熱を効率的に電気へ変換する仕組み」を、有機高分子（ポリマー）系複合熱電変換材料について体系的に整理し、材料設計のガイドラインとしてまとめました。

• 従来は両立が難しかったゼーベック係数と導電率を、同時に向上させるための設計指針を明確に示しました。

• 複合材料の種類に応じて、界面エネルギー障壁の高さを一般に0.05〜0.1 eVの範囲に最適化することで、低エネルギーキャリアを効果的に遮断し、高エネルギーキャリアのみを選択的に輸送できることを示しました。

• 150 ℃以下の未利用排熱を、軽量で柔軟な有機高分子材料によって効率的に電力へ変換でき、持続可能で低炭素な社会の実現に貢献します。

◆概 要

　国立大学法人岡山大学（本部：岡山市北区、学長：那須保友）の学術研究院環境生命自然科学学域（工）の林靖彦教授は、エチオピアのBahir Dar University、中国のSouthern University of Science and Technology、Jianghan University、シンガポールのAgency for Science、 Technology and Research (A*STAR)、National University of Singapore、Nanyang Technological Universityの研究者等と共同で、有機高分子（ポリマー）系複合熱電変換材料の性能向上に関する体系的レビュー論文を発表しました。この研究成果は、2025年9月5日に英国王立化学会（Royal Society of Chemistry）の学術雑誌「Journal of Materials Chemistry A」に掲載（First published）されました。

　熱電変換材料・素子は、排熱を直接電気に変換できるエネルギー材料・技術として注目されています。特に有機高分子系複合熱電変換材料は、低コストでフレキシブル、軽量という利点を持ちながら、温度差から電圧を生み出す指標「ゼーベック係数」と、電気の流れやすさの指標「導電率」の両者を高めることが望ましいが、両者がトレードオフの関係にあるため高効率化が困難でした。

　本論文では、有機高分子複合材料中で異なる材料が接する界面のエネルギー障壁で、低エネルギーキャリアを遮断し、高エネルギーキャリアのみを透過させ、この結果、流れるキャリアは平均して高いエネルギーを持つ「エネルギーフィルタリング効果」を整理し、四つの複合材料カテゴリごとに熱電変換特性を向上させる設計指針を網羅しました。

　本成果は、ウェアラブルデバイスやフレキシブルセンサー、自立電源デバイス、環境中の150℃以下の低温排熱回収などへの応用に直結し、持続可能社会に貢献する新しいエネルギー変換技術の基盤を築くものです。

　本情報は、2025年10月17日に岡山大学から公開されました。

図. エネルギー障壁による「エネルギーフィルタリング効果」で，低エネルギーキャリアは遮断される高エネルギーキャリアだけ通す。

◆林靖彦教授からのひとこと

　有機高分子複合材料熱電変換材料・素子の研究では、経験的な条件最適化の域を出ず、得られた結果を普遍的な設計原理へと体系化するには至っていませんでした。本研究は、これまで熱電変換材料・素子について国際共同研究を行ってきたエチオピア、中国、シンガポールのグループと共同で、社会実装を推し進める設計原理の体系化に取り組んだ成果です。

◆論文情報
　論 文 名：Interface engineering in polymer thermoelectric composites: harnessing energy-filtering effects to overcome the Seebeck-conductivity trade-off
　掲 載 紙： Journal of Materials Chemistry A
　著 　者： Temesgen Atnafu Yemata, Aung Ko Ko Kyaw, Yun Zheng, Jianwei Xu, Wee Shong Chin, Qiang Zhu and Yasuhiko Hayashi*
　D O I： 10.1039/d5ta05957g
　U R L： https://doi.org/10.1039/D5TA05957G

◆研究資金
　著者の林靖彦は、JSPS科研費（24K00928）の支援を受けて本研究の一部を実施しました。

◆詳しい研究内容について
　次世代有機高分子系複合熱電変換材料の新しい設計指針を確立 熱電変換複合材料設計のための体系的指針

　https://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/press_r7/press20251017-2.pdf

◆参 考

・岡山大学 学術研究院 環境生命自然科学学域（工）ナノデバイス・材料物性学研究室
　https://hayashi-lab.org/

・岡山大学大学院 環境生命自然科学研究科
　https://www.elst.okayama-u.ac.jp/
・岡山大学 工学部
　https://www.engr.okayama-u.ac.jp/

◆参考情報

・【岡山大学】次世代アルミニウムイオン電池革命！ 安全・低コスト・高容量を実現する正極炭素材料の設計指針を提案

　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000002955.000072793.html

・【岡山大学】工場や車体の排熱を電気に変える！ 高い熱電変換性能と安定性を持つ「n型カーボンナノチューブ糸」の作製に成功

　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000002182.000072793.html

・【岡山大学】次世代太陽電池・ペロブスカイト太陽電池の欠点を補完する画期的な添加材“ベンゾフェノン”を発見！～性能と耐環境性の向上により、再生可能エネルギーの発展に貢献～

　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000001930.000072793.html
・【岡山大学】ヤーヌス構造をもつ二次元半導体の生成と生成過程の解析に成功 ～二次元半導体の新しいデバイス応用展開に期待～

　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000001426.000072793.html

・【岡山大学】原子層半導体の一次元構造化に成功 ～次世代ナノスケール光電子デバイスへの応用に期待～
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000001417.000072793.html
・【岡山大学】閉じ込め空間を利用した原子レベルに薄い半導体の大面積・高品質合成に成功～次世代フレキシブル光電子デバイスの実現に期待～
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000764.000072793.html
・【岡山大学】メモリスティブな振る舞いを持つ新規材料を発見 ～人間と同様の思考を持つコンピュータの実現に向けて～
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000224.000072793.html

岡山大学津島キャンパス

◆本件お問い合わせ先
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　〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中1-1-1 岡山大学津島キャンパス 工学部3号館
　TEL：[phone]
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　〒700-8558 岡山県岡山市北区鹿田町2-5-1
　TEL：[phone]
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　　　　　※ ◎を@に置き換えて下さい
　http://shin-iryo.hospital.okayama-u.ac.jp/medical/

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  https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000001935.000072793.html