(57)【要約】熱電材料及び熱電アーキテクチャを用いるイオン分離媒体がここに記載される。いくつかの実施形態において、イオン分離媒体は一層の無機ナノ粒子を含み、当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに当該一層の表面に沿って液体媒体中のイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン分離媒体であって、
一層の無機ナノ粒子を含み、
前記一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに前記一層の表面に沿って液体媒体中のイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有するイオン分離媒体。
【請求項２】
前記一層の無機ナノ粒子は多孔性である請求項１のイオン分離媒体。
【請求項３】
前記一層の無機ナノ粒子は５０体積％までの多孔率を有する請求項２のイオン分離媒体。
【請求項４】
前記イオン種は、塩のカチオン及びアニオン、遷移金属、生体分子、有機分子、又はこれらの混合物を含む請求項１のイオン分離媒体。
【請求項５】
前記一層の無機ナノ粒子は、熱勾配の方向において疎水性領域へと遷移する親水性領域を有する請求項１のイオン分離媒体。
【請求項６】
前記無機ナノ粒子は一以上の遷移金属カルコゲナイドを含む請求項１のイオン分離媒体。
【請求項７】
前記無機ナノ粒子は二硫化モリブデンを含む請求項６のイオン分離媒体。
【請求項８】
前記無機ナノ粒子はプレートレット形態を有する請求項６のイオン分離媒体。
【請求項９】
前記無機ナノ粒子の少なくとも一部が、対イオン種により官能化される請求項１のイオン分離媒体。
【請求項１０】
前記親水性領域は１Ｔ−ＭｏＳ２ナノ粒子を含み、前記疎水性領域は２Ｈ−ＭｏＳ２ナノ粒子を含む請求項５のイオン分離媒体。
【請求項１１】
前記一層の無機ナノ粒子は、温度２９８Ｋにおいて少なくとも４０μＶ／Ｋのゼーベック係数を有する請求項１のイオン分離媒体。
【請求項１２】
前記温度勾配は０．５℃から３０℃の範囲にある請求項１のイオン分離媒体。
【請求項１３】
イオンポンプであって、
イオン種を含む液体媒体を受容する被分析物区画と、
一層の無機ナノ粒子を介して前記被分析物区画とイオン連通するイオン収集区画であって、前記一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに前記被分析物区画から前記イオン収集区画へと前記イオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有するイオン収集区画と
を含むイオンポンプ。
【請求項１４】
前記一層の無機ナノ粒子は多孔性である請求項１３のイオンポンプ。
【請求項１５】
前記一層の無機粒子は５０体積％までの多孔率を有する請求項１４のイオンポンプ。
【請求項１６】
前記イオン種は、塩のカチオン及びアニオン、遷移金属、生体分子、有機分子、並びにこれらの混合物からなる群から選択される請求項１３のイオンポンプ。
【請求項１７】
前記イオン種は、前記一層の無機ナノ粒子の孔構造を介して前記イオン収集室へと移送される請求項１５のイオンポンプ。
【請求項１８】
前記一層の無機ナノ粒子は、熱勾配の方向において疎水性領域へと遷移する親水性領域を有する請求項１３のイオンポンプ。
【請求項１９】
前記無機ナノ粒子は一以上の遷移金属カルコゲナイドを含む請求項１３のイオンポンプ。
【請求項２０】
前記無機ナノ粒子は二硫化モリブデンを含む請求項１９のイオンポンプ。
【請求項２１】
前記無機ナノ粒子はプレートレット形態を有する請求項１９のイオンポンプ。
【請求項２２】
前記無機ナノ粒子の少なくとも一部が、対イオン種により官能化される請求項１３のイオンポンプ。
【請求項２３】
イオンポンプであって、
液体媒体中に第１イオン種及び第２イオン種を含む混合物を受容する被分析物区画と、
一層の無機ナノ粒子を介して前記分析物区画とイオン連通する第１イオン収集区画であって、前記一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに前記被分析物区画から前記第１イオン収集区画へ前記第１イオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する第１イオン収集区画と
を含むイオンポンプ。
【請求項２４】
前記一層の無機ナノ粒子は多孔性である請求項２３のイオンポンプ。
【請求項２５】
前記一層の無機ナノ粒子は５０体積％までの多孔率を有する請求項２３のイオンポンプ。
【請求項２６】
前記第１イオン種は、前記一層の無機ナノ粒子の孔構造を介して第１イオン収集室へと移送される請求項２４のイオンポンプ。
【請求項２７】
前記一層の無機ナノ粒子を介して前記被分析物区画とイオン連通する第２イオン収集区画をさらに含み、
前記ゼーベック係数は、熱勾配が存在するときに前記被分析物区画から前記第２イオン収集区画へと前記第２イオン種を移送するのに十分である請求項２３のイオンポンプ。
【請求項２８】
前記一層の無機ナノ粒子は、熱勾配の方向において疎水性領域へと遷移する親水性領域を有する請求項２７のイオンポンプ。
【請求項２９】
前記親水性領域は前記第１イオン収集区画の中へと延び、
前記疎水性領域は前記第２イオン収集区画の中へと延びる請求項２８のイオンポンプ。
【請求項３０】
前記無機ナノ粒子は一以上の遷移金属カルコゲナイドを含む請求項２３のイオンポンプ。
【請求項３１】
前記無機ナノ粒子は二硫化モリブデンを含む請求項３０のイオンポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体媒体中のイオン種を分離する媒体に関し、詳しくは、熱勾配のある様々な表面に沿ってイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する熱電アーキテクチャを用いる媒体に関する。
【０００２】
関連出願のデータ
本願は、２０１６年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／３０９，０９８号の、米国特許法第１１９条（ｅ）による優先権を主張し、その全体が参照によりここに組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
熱電材料及び熱電装置は、熱源から発電するべく広く使用されている。熱電装置は例えば、様々な産業アプリケーションにおいて生じた廃熱から発電するべく用いることができる。熱電効率は、性能指数ＺＴによって定量化される。
【０００４】
高いＺＴ値を実証する熱電材料は、熱電効率が高い。合理的なＺＴ値を備えた熱電材料を作製することは多くの場合、困難及び／又は高価となる。例えば、ビスマスカルコゲナイドは、０．７〜１．０の範囲にあるＺＴ値を伴う優れた熱電特性を与える。こうした材料は、許容可能な電気伝導率と劣悪な熱伝導率とを有する材料をもたらすＢｉ２Ｔｅ３層とＢｉ２Ｓｅ３層とが交互にされた超格子構造を作り出すナノ構造を有し得る。それにもかかわらず、こうした材料の製造は、時間がかかるのと同時に高価となり得る。
【０００５】
さらに、作製上の要件及び他の材料公差の結果、多くの熱電材料は、熱収集及び発電を目的とする多種多様なデバイスに容易に組み入れるのに適さない。こうした欠点により、熱電材料の新たな用途が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／１８７９０５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一側面において、ここに記載の熱電材料及び熱電アーキテクチャは、液体媒体中のイオン種を分離することにアプリケーションを見出す。かかる熱電アーキテクチャは、塩水脱塩、様々なセンサ、及び／又は分子浄化システムを含むがこれらに限られない様々な分野において用いることができる。いくつかの実施形態において、ここに記載のイオン分離媒体は一層の無機ナノ粒子を含み、当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに当該一層の表面に沿って液体媒体中のイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。当該一層の無機ナノ粒子は、いくつかの実施形態において、多孔性なので、イオン種が当該一層を介して移送されることが許容される。ここに記載の分離媒体により移送されるイオン種は、塩のカチオン及びアニオン、遷移金属、生体分子、有機分子、又はこれらの混合物を含み得る。
【０００８】
他側面において、イオンポンプが与えられる。イオンポンプは、いくつかの実施形態において、イオン種を含む液体媒体を受容するための被分析物区画を含む。イオン収集区画は、一層の無機ナノ粒子を介して被分析物区画とイオン連通している。当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに被分析物区画からイオン収集区画へとイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。
【０００９】
他実施形態において、イオンポンプは、液体媒体中に第１イオン種及び第２イオン種を含む混合物を受容する被分析物区画を含む。第１イオン収集区画は、一層の無機ナノ粒子を介して被分析物区画とイオン連通する。当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに被分析物区画から第１イオン収集区画へと第１イオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。第２イオン収集区画もまた、当該一層の無機ナノ粒子を介して被分析物区画とイオン連通する。ここで、ゼーベック係数は、熱勾配が存在するときに被分析物区画から第２イオン収集区画へと第２イオン種を移送するのに十分である。
【００１０】
これらの及び他の実施形態が、以下の詳細な説明において、さらに記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ここに開示のいくつかの実施形態に係るＭｏＳ２ナノ粒子のプレートレット形態を例示する。
【図２】ここに記載の一実施形態に係る一層のＭｏＳ２ナノ粒子の一セクションの光学顕微鏡写真である。
【図３】ここに開示のいくつかの実施形態に係るイオンポンプを例示する。
【図４】ここに開示のいくつかの実施形態に係るイオンポンプの電圧特性を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここに記載の実施形態が、以下の詳細な説明と、複数の例及びそれらの上記及び下記の説明とを参照して容易に理解することができる。しかしながら、ここに記載の素子、装置及び方法は、詳細な説明及び例に提示された特定の実施形態に限られない。これらの実施形態が、本発明の原理の単なる例示であることを認識するべきである。本発明の要旨及び範囲から逸脱することのない多数の修正例及び適合例が、当業者にとって容易に明らかとなる。
【００１３】
Ｉ．イオン分離媒体
【００１４】
熱電材料及び熱電アーキテクチャを用いるイオン分離媒体がここに記載される。いくつかの実施形態において、イオン分離媒体は一層の無機ナノ粒子を含み、当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに当該一層の表面に沿って液体媒体中のイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。熱勾配におけるイオン移送に十分なゼーベック係数を有する一層を与えるべく動作可能な無機ナノ粒子は、いずれも用いることができる。
【００１５】
適切な無機ナノ粒子は、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＭＸ２）のような遷移金属カルコゲナイドを含み得る。遷移金属ダイカルコゲナイドの具体例は、ＭｏＳ２、ＴｉＳ２及びＷＳ２を含むがこれらに限られない。無機ナノ粒子はまた、三元遷移金属カルコゲナイド、四元金属カルコゲナイド、又はこれらの混合物から形成してもよい。さらなる実施形態において、無機ナノ粒子は、遷移金属ナノ粒子、セラミックナノ粒子、又はこれらの混合物を含む。遷移金属ナノ粒子は、いくつかの実施形態において、周期表のＶＩＩＢ族、ＶＩＩＩＢ族、ＩＢ族及び／又はＩＩＢ族からの金属を含む。さらに、セラミックナノ粒子は、遷移金属酸化物、炭化物及び／又は窒化物を含み得る。
【００１６】
無機ナノ粒子は、本発明の目的に矛盾しない任意の形態を有し得る。例えば、無機ナノ粒子は、プレートレット形態を有し得る。その代わりに、無機ナノ粒子は、ワイヤ又はニードル形態を有し得る。図１は、ここに開示のいくつかの実施形態に係るＭｏＳ２ナノ粒子のプレートレット形態を例示する。さらに、無機ナノ粒子は、本発明の目的に矛盾しない任意のサイズを有し得る。一般に、無機ナノ粒子は、１００ｎｍ未満の少なくとも一つの寸法を有する。プレートレット形態に対しては、無機ナノ粒子は、１００ｎｍよりも大きな直径を伴う厚さ１〜５０ｎｍを有し得る。
【００１７】
無機ナノ粒子は、様々な技法によって一層に集合化され得る。いくつかの実施形態において、無機ナノ粒子は、一表面に堆積されて加圧されることにより一層となる。例えば、無機ナノ粒子を成形型に配置して加圧することにより、任意の所望形状の一層にすることができる。その代わりに、無機ナノ粒子は、当該一層を形成するべくホスト材料に加えることもできる。いくつかの実施形態において、一以上の重合体材料のような有機ホスト材料を用いることができる。適切な重合体種は、一以上のフッ素重合体を含み得る。いくつかの実施形態において、フッ素重合体は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はこれらの混合物若しくは共重合体を含む。ホストに積載される無機ナノ粒子は一般に、得られる層の約５０重量％から９９重量％の範囲となり得る。いくつかの実施形態において、無機ナノ粒子の積載量は、６０〜８０重量％の範囲にわたる。図２は、ここに記載の一実施形態に係る一層のＭｏＳ２ナノ粒子の一セクションの光学顕微鏡写真を例示する。
【００１８】
当該一層の無機ナノ粒子は、本発明の目的に矛盾しない任意の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、当該一層の無機ナノ粒子は、表１から選択された厚さを有する。
【表１】
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【００１９】
それに加えて、当該一層の無機ナノ粒子は多孔性となり得る。ここにさらに詳述されることだが、当該一層の多孔性により、当該一層を介したイオン種の移送が許容され、当該一層の無機ナノ粒子が熱勾配に置かれた場合のイオン種の分離性が高められる。いくつかの実施形態において、当該一層の無機ナノ粒子は、表２から選択された多孔率を有する。
【表２】
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さらに、当該一層の無機ナノ粒子は、いくつかの実施形態において、１μｍ未満の平均孔サイズを有する。一層の無機ナノ粒子の平均孔サイズは、例えば、５０ｎｍから５００ｎｍの範囲となり得る。いくつかの実施形態において、一層の無機ナノ粒子は、１００〜７５０ｎｍの平均孔サイズを有し得る。他実施形態において、一層の無機ナノ粒子は、１〜１０μｍのような、１μｍよりも大きな平均孔サイズを有し得る。
【００２０】
いくつかの実施形態において、当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配の方向において疎水性領域へと遷移する親水性領域を有する。無機ナノ粒子層の親水性領域及び疎水性領域は、本発明の目的に矛盾しない任意の技法に従って形成することができる。いくつかの実施形態において、無機ナノ粒子の親水性又は疎水性の特徴は変更することができる。例えば、当該一層を形成するべくＭｏＳ２プレートレットを堆積させることができる。一領域は、ＭｏＳ２層は、立体構造を局所的に１Ｔ−ＭｏＳ２から２Ｈ−ＭｏＳ２に変更するべく、１５０℃まで加熱される。この立体構造変更により、疎水性２Ｈ−ＭｏＳ２領域が確立される。当該一層の単数又は複数の未加熱の領域が、親水性１Ｔ−ＭｏＳ２のままとなる。他実施形態において、無機ナノ粒子の担体により、親水性及び疎水性の特徴の領域を与えることができる。さらなる実施形態において、無機ナノ粒子の表面が、親水性及び疎水性の特徴の領域を与えるべく、リガンドのような様々な種によって修飾することができる。表面リガンドはまた、当該一層の無機粒子により移送されるイオン種を捕捉するべく用いることができるので、ここに記載の媒体のイオン分離特性を高めることができる。
【００２１】
上述のように、当該一層の無機ナノ粒子は、液体媒体中のイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。いくつかの実施形態において、当該一層の無機ナノ粒子は、表３から選択されたゼーベック係数を有する。
【表３】
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表４は、ここに記載の一実施形態に係る、非脱イオン水のもとでの一層の１Ｔ−ＭｏＳ２ナノプレートレットの熱電特性及び伝導特性を与える。
【表４】
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それに加えて、無機ナノ粒子層は、温度の変動に敏感なので、イオン種の移送を開始するのに必要なのは、相対的に小さな熱勾配にすぎない。いくつかの実施形態において、少なくとも０．５℃の熱勾配により、当該一層の無機ナノ粒子の表面に沿ったイオン移送をもたらすことができる。いくつかの実施形態において、適切な熱勾配が表５から選択される。
【表５】
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【００２２】
ＩＩ．イオンポンプ
【００２３】
他側面において、イオンポンプが与えられる。イオンポンプは、いくつかの実施形態において、イオン種を含む液体媒体を受容するための被分析物区画を含む。イオン収集区画は、一層の無機ナノ粒子を介して被分析物区画とイオン連通している。当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに被分析物区画からイオン収集区画へとイオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。
【００２４】
他実施形態において、イオンポンプは、液体媒体中に第１イオン種及び第２イオン種を含む混合物を受容する被分析物区画を含む。第１イオン収集区画は、一層の無機ナノ粒子を介して被分析物区画とイオン連通する。当該一層の無機ナノ粒子は、熱勾配が存在するときに被分析物区画から第１イオン収集区画へと第１イオン種を移送するのに十分なゼーベック係数を有する。第２イオン収集区画もまた、当該一層の無機ナノ粒子を介して被分析物区画とイオン連通する。ここで、ゼーベック係数は、熱勾配が存在するときに被分析物区画から第２イオン収集区画へと第２イオン種を移送するのに十分である。
【００２５】
当該一層の無機ナノ粒子は、ここのセクションＩに記載される任意の構造及び／又は特性を有し得る。図３は、ここに開示のいくつかの実施形態に係るイオンポンプの構造を例示する。イオンポンプ３０は、第１イオン種と第２イオン種との混合物を受容する被分析物区画３１を有する。第１イオン収集区画３２は、一層の無機ナノ粒子３３を介して被分析物区画３１とイオン連通する。さらに、第２イオン収集区画３４は、当該一層の無機ナノ粒子３３を介して被分析物区画とイオン連通する。図３の実施形態において、当該一層の無機ナノ粒子３３は、各区画を貫通するロッド３５の外側表面に堆積される。Ｏリング３６が、混合を防止するべく当該区画間に位置決めされる。熱水を第１イオン収集区画３２の中へと流し、冷水を第２イオン収集区画３４の中へと流すことにより、熱勾配を確立することができる。熱勾配が確立されると、被分析物区画３１における第１イオン種が、当該一層の無機粒子３３の表面に沿って、第１イオン収集区画３２へと移送される。当該一層の無機ナノ粒子３３は多孔性なので、第１イオン種は、Ｏリング３６のもと、層３３を介して進行することが許容され、第１区画３２に到達する。同様に、第２イオン種は、当該一層の無機ナノ粒子３３を介して移送され、第２イオン収集区画３４に到達する。イオン移送を増強するべく、当該一層の無機ナノ粒子は、第１イオン収集区画３２において疎水性の特徴になるとともに、第２イオン収集区画において親水性の特徴になり、又は第１イオン収集区画３２において親水性の特徴になるとともに、第２イオン収集区画において疎水性の特徴になることができる。第１イオン種及び第２イオン種は、被分析物区画３１から出るように移送され、第１イオン種及び第２イオン種の新鮮な混合物を、さらなるイオン分離を目的として被分析物区画３１に加えることができる。
【００２６】
図３の構成を有するイオンポンプが、図２に例示の形態を有する一層のＭｏＳ２を有するように構築された。ＭｏＳ２は、第１イオン収集区画において疎水性２Ｈであり、第２イオン収集区画において親水性１Ｔであった。塩水（ＮａＣｌ）が被分析物区画に加えられ、図３のような熱勾配が確立された。Ｃｌ−が第１イオン区画へと移送され、Ｎａ＋が第２イオン区画へと移送された。このようなイオンの流れにより、被分析物区画にある水が精製された。１秒ごとのΔＴ当たりの精製水のリットル数［Ｌ／（ｓΔＴ）］は、ＮａＣｌの濃度に依存する。１秒ごとのΔＴ当たりの１リットル当たり、１×１０７イオンが除去されると見積もられる。塩水からのイオン除去は図４に例示される。熱勾配において塩水が最初に当該一層のＭｏＳ２ナノ粒子に接触すると、大きな電圧スパイクが生じる。イオン濃度は被分析物室から出るように移送されることに起因して低減されるので、電圧は減衰してゼロへと戻る。
【００２７】
本発明の様々な実施形態が、本発明の様々な目的が達成されるように記載されてきた。これらの実施形態が、本発明の原理の単なる例示であることを認識するべきである。本発明の要旨及び範囲から逸脱することのない、その多数の修正例及び適合例が、当業者にとって容易に明らかとなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2019518323.tif 000013
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