2023.09.15
糖を共有結合性有機骨格に導入し、従来の過冷却問題を解決した150℃付近廃熱用の固体蓄熱材を創出
低環境負荷・豊富な軽元素のみからなる次世代の固体蓄熱材
東京工業大学 科学技術創成研究院 ゼロカーボンエネルギー研究所の村上陽一教授らは、低コストで安全な相変化蓄熱材である糖アルコール（糖の一種）を、結晶性ナノ多孔体である共有結合性有機骨格に導入することで、これまで未解決だった糖アルコールの諸問題を解決した、150℃付近用の固体蓄熱材を創出した。
糖アルコールは安価・安全・豊富・低環境負荷だが、融点（＝熱を蓄える温度）よりも凝固点（＝熱を取り出す温度）が50～100℃程度も低く、凝固の発生温度がランダムなために熱を取り出せる温度が予測困難という問題（＝過冷却問題）があった。このような「強い過冷却」は、「熱エネルギーの質は、温度が高いほど高い」という原理[注1]から、蓄えた熱エネルギーの質を著しく劣化させるため、蓄熱の意義を損ないうる未解決問題であった。さらに、多くの相変化蓄熱材に共通する問題として、融点で形を失う（粒子形状を失い、固化後には大きな塊になる）という性質は、ハンドリング面だけでなく、材料内部から表面への熱伝導距離を増大させ、熱交換を遅くする面からも問題であった。
村上教授らはこの長年の問題を解決すべく、共有結合性有機骨格の結晶粉末に糖アルコールの一種「マンニトール」を含浸する着想を追求し、軽元素（炭素・水素・窒素・酸素）のみからなる、資源制約が無く低環境負荷な新世代の固体蓄熱材を創出した。その結果、未解決課題だった糖アルコールの過冷却問題が解決され、蓄えた熱エネルギーの質を劣化させない画期的な固体蓄熱材を創出した。本成果は社会のCO2排出削減に資する廃熱の高度利用に貢献しうるものである。なお、共有結合性有機骨格は無数の種類が可能なため、本成果は発展可能性をもつ基本コンセプトの創出成果となっている。本成果は8月14日、王立化学会（英国）の学術誌「Materials Horizons」にオンライン掲載された。
