2025年 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　准教授　岡本範彦
金属材料研究所　教授　市坪哲
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 空気中の水分子を吸着・放出して蓄放熱することが可能な層状二酸化マンガン（MnO₂）を厚さ数nm（ナノメートル。ナノは10億分の1）のシート状に微細化することによって、蓄熱エネルギー密度^（注１）がバルク状に比べて3倍に向上し、100℃以下でも機能する低温蓄熱材料を実現しました。
• これまでも注目されてきた130℃付近で生じる水分子の層間インターカレーション^（注２）（バルク吸収）に加え、60℃以下で顕在化する表面吸着^（注３）が寄与する二段階蓄熱メカニズムを解明しました。
• 蓄熱温度域の拡大により、昼間の太陽熱を夜間暖房へ転用する低炭素型ヒートマネジメント技術など幅広い蓄熱応用が期待されます。

【概要】

脱炭素社会の実現に向け、200℃以下の低温廃熱の有効活用が求められており、これを貯蔵し再利用する蓄熱材料の開発が課題となっています。層状二酸化マンガンは、これまで約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きました。

東北大学大学院工学研究科の吉迫大輝 大学院生、同大学金属材料研究所の岡本範彦 准教授と市坪哲 教授（日本原子力研究開発機構 原子力科学研究所 先端基礎研究センター 耐環境性機能材料科学研究グループリーダー兼任）らの研究グループと、日本原子力研究開発機構 原子力科学研究所 先端基礎研究センター耐環境性機能材料科学研究グループの田中万也 マネージャーは、層状二酸化マンガンを厚さ数nmのシート状に微細化することで表面積を大幅に増大させ、従来顕在化しなかった60℃以下での表面水分子吸着を顕在化させることに成功しました。その結果、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倍に向上し、100℃以下という低温域での蓄熱動作が可能になりました。また、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、それぞれ固体的、液体的な状態で吸着されていることを解明しました。本成果は、低温域での蓄熱性能の設計指針を提供すると共に、昼間の太陽熱を利用した夜間暖房や、機械暖気、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・時間を選ばない発電など、多様な省エネルギー技術への応用が期待されます。

本成果は、2025年6月3日に、科学誌Communications Chemistryにオンラインで公開されました。

【用語解説】

注1. 蓄熱エネルギー密度
単位体積あるいは単位重量あたりの蓄熱材料に貯蔵可能な熱量。

注2. インターカレーション機構、インターカレーション反応
層状構造などの結晶がその結晶構造を保ったまま、イオンや分子を結晶構造中の空隙に収容する可逆的な化学反応。

注3. 表面吸着
イオンや分子が酸化物結晶などの表面に吸着する現象。

【論文情報】

タイトル：Utilizing surface water adsorption on layered MnO2 nanosheets for enhancing heat storage performance
著者：Hiroki Yoshisako*, Norihiko L. Okamoto, Kazuya Tanaka* & Tetsu Ichitsubo
*責任著者：東北大学大学院工学研究科吉迫大輝 大学院生、日本原子力研究開発機構原子力科学研究所先端基礎研究センター耐環境性機能材料科学研究グループ マネージャー 田中万也
掲載誌：Communications Chemistry
DOI：10.1038/s42004-025-01567-2

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所
構造制御機能材料学研究部門
准教授 岡本 範彦
TEL: 022-215-2728
Email: nlokamoto*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所 情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144
Email: press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）