主要成果
研究チームは、ニッケル、コバルト、鉄、マンガンの4つの金属中心を組み合わせた多金属MOFフィルムを開発し、充電式亜鉛空気電池の双機能空気電極として評価した。その結果、トリメシン酸（TAC）を連結剤として用いたMOFが、試験された電極の中で最高の性能を記録した。このTACベースのデバイスは、60 mA cm−2の電流密度で動作し、充放電電圧ギャップは約0.8〜0.9 V、往復効率は約60%に達した。さらに、5 mA cm−2での長期サイクル試験では、13日以上にわたる安定した動作が確認された。
技術・詳細
本研究では、カソード電気堆積法を用いて、カーボンクロス上に多金属構造体フィルムを直接合成した。研究の焦点は、4つの金属中心を維持したまま有機配位子を変更し、カルボキシレート配位が電気化学触媒にどのような影響を与えるかを検証することにある。比較対象となったのは、テレフタル酸（BDC）、2,6-ナフタレンジカルボン酸（NDC）、およびトリメシン酸（TAC）の3種類の配位子である。
酸素発生（OER）特性の評価では、配位子によって明確な差が現れた。10 mA cm−2における過電圧は、NDCベースが310 mVと最も低く、次いでTACベースが340 mV、BDCベースが350 mVであった。この差は電気化学的に活性な表面積に関連しており、特にNDCおよびTACベースの材料では、配位子の変更が金属部位の電子分布を再編し、金属-酸素相互作用を強化したことが示唆されている。
一方、酸素還元（ORR）特性については、3つのサンプルすべてで半波電位が約0.76 Vと近似していた。しかし、Koutecky-Levich解析の結果、TACベースの材料は電子移動数が約3.8と推定され、他のサンプルよりも4電子経路の寄与が大きいことが判明した。
背景・業界の文脈
亜鉛空気電池の商用化には、酸素還元反応（ORR）と酸素発生反応（OER）の両方を効率的に促進する「双機能電極」の開発が不可欠である。本研究で用いられたMOF（金属有機構造体）は、金属イオンと有機配位子が配位結合して形成される多孔質材料であり、その構造を精密に制御することで触媒活性を最適化できる可能性がある。特に、カルボキシレート配位子の構造を変えることで、金属中心の電子状態や表面特性を制御し、電池全体のエネルギー効率や耐久性を向上させることが期待されている。
今後の展望
本成果は、特定の電極および動作条件下における実験的な実証である。配位子の選択が多金属MOFの触媒特性および電池構成における挙動に影響を与えることが示されたが、反応メカニズムの詳細や、動作中の活性物質の構造変化については完全な解明に至っていない。また、商業的なベンチマークに対する性能比較や、電池の耐久性を決定づける長期的な劣化メカニズムの特定が今後の課題となる。
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