100℃以下の熱も高密度で蓄えられるナノシートを開発~低温廃熱の回収・再利用によりカーボンニュートラル実現貢献へ~

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2025-06-24 東北大学

東北大学と日本原子力研究開発機構の研究チームは、層状二酸化マンガン(MnO₂)を厚さ数ナノメートルに微細化したナノシートを開発し、100℃以下の低温域でも高密度に熱を蓄える新材料を実現した。ナノ化によって比表面積が増大し、従来130℃で機能した層間インターカレーションに加え、60℃以下で表面吸着が寄与する二段階蓄熱メカニズムを明らかにした。これにより、蓄熱エネルギー密度は約1.3倍向上し、昼間の太陽熱を夜間暖房に利用するなど、低温廃熱の再利用やカーボンニュートラル技術への応用が期待される。

100℃以下の熱も高密度で蓄えられるナノシートを開発~低温廃熱の回収・再利用によりカーボンニュートラル実現貢献へ~
図1. 層状二酸化マンガンδ-K0.33MnO2nH2Oの水インターカレーション反応

<関連情報>

層状MnO2ナノシートへの表面水吸着を利用した蓄熱性能の向上 Utilizing surface water adsorption on layered MnO2 nanosheets for enhancing heat storage performance

Hiroki Yoshisako,Norihiko L. Okamoto,Kazuya Tanaka & Tetsu Ichitsubo
Communications chemistry  Published:03 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s42004-025-01567-2

Abstract

Layered manganese dioxide containing K cations in-between the MnO2 layers is known to be capable of reversibly storing and releasing thermal energy through the rapid water intercalation mechanism. In this study, we demonstrate that MnO2 nanosheets exhibit superior heat storage properties by the combination of surface water adsorption and bulk water intercalation. The heat storage capacity has been experimentally increased by approximately 1.3 times by reducing the crystallite size from sub-micrometer order to a few tens of nanometers, and it is further expected to more than double by reducing it to a single nanometer. Further importantly, the charging temperature can be tuned to a lower side since the temperature range of dehydration from the MnO2 surface (below 60 °C) is lower than that from the interlayer (120–160 °C). This work gives a new pathway for low-temperature heat operation by shifting the paradigm of HSM from bulk-centered mechanisms to surface-driven processes.

0505化学装置及び設備
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