フレキシブル亜鉛空気電池向け炭素系電気触媒の最近進展（2019-2024）

要旨

ウェアラブル電子デバイス普及により、フレキシブルエネルギー変換システム急速発展。高理論エネルギー密度持つフレキシブル充電式亜鉛空気電池（ZAB）が、ウェアラブル電子製品応用可能な次世代フレキシブルエネルギーデバイスとして大きな可能性示す。酸素還元反応（ORR）と酸素発生反応（OER）両方電気化学触媒可能な高効率・空気安定カソード設計が強く望まれるが困難。ORR/OER触媒用フレキシブル炭素系触媒は大別して2タイプ：（i）フレキシブル基板インシツー修正ベース自立型触媒、（ii）フレキシブル基板表面コーティングベース非自立型触媒。触媒性能最適化手法には、原子ドーピング、電子構造と配位環境制御含む。本レビューでは、デザイナー炭素系電気触媒合成最近提案戦略と空気電極電気触媒性能最適化総括。そしてフレキシブルZAB触媒適用時固有活性サイトと電気触媒メカニズム分析に重点。本レビュー知見が、ウェアラブル電子デバイス応用向けより価値ある炭素系空気電極と対応フレキシブルZAB設計支援可能。

はじめに

現在非再生可能エネルギー過剰使用がエネルギー危機懸念招く。したがって、現在エネルギー不足緩和のため、より効率的環境優しい電源デバイス確立必要。さらに、伸縮・折畳・曲げ可能ウェアラブル電子デバイス出現普及が、フレキシブルエネルギー貯蔵システム急速成長発展促進[1-3]。亜鉛空気電池（ZAB）は1086 Wh kg⁻¹理論エネルギー密度示し、広く使用充電式リチウムイオン電池約5倍。また亜鉛は豊富埋蔵量と広い入手性利点[4, 5]。典型ZABは負極に亜鉛、正極に酸素、電解質に水酸化カリウム使用。高安定亜鉛負極と水系電解質導入により、ZABは無毒、環境優しく、安全で、有望エネルギー貯蔵システムとして広く注目[6]。ZAB基本動作原理は、電池負極亜鉛と電解液OH⁻間電気化学反応で電子放出。同時に、ガス拡散電極または空気カソード触媒反応層触媒が電解質と空気中酸素接触、電荷移動発生。充電式ZAB動作中、空気電極で酸素と水変換発生、ORRとOER含む、両方多電子再結合プロセス。アルカリ溶液中具体反応は以下：

ORR: O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻ （1）

OER: 4OH⁻ → O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ （2）

ORR反応経路理解ため様々動力学モデル開発。Damjanovicら[7, 8]第1モデルでは、過酸化水素生成経路と、過酸化水素中間体生成なしでO₂還元水経路が並行。これは式1、2模式的表現。

O₂ → H₂O （1）

O₂ → H₂O₂ → H₂O （2）

↓ I₄

溶液とリング電極へ

経路2で反応中間体生成過酸化水素、一部同ディスク電極で水還元、一部対流拡散でディスク電極から溶液とリング電極へ移動。I₁、I₂、I₃各電流表す。I₄は過酸化水素ディスク電極から電流として拡散離れる速度。しかし生成過酸化物中間体不安定で、反応プロセス複雑化、電解質膜損傷、触媒活性低下、燃料電池出力電圧とエネルギー変換率低下可能性[9]。したがって、直接4e⁻経路（式1）がORR理想経路と見なされ、2e⁻経路（式2）より高出力電圧とエネルギー変換持つ。

ORR相当過電圧が多段階電子移動エネルギー障壁克服必要[10]ため、大規模適用可能フレキシブル充電式ZAB開発主要課題は、ZAB空気カソード過大電位[11]と、充放電時遅いORR/OERによる酸素可逆性悪化[12]。Pt/C電極がORR最高触媒性能示し、IrO₂/RuO₂がOER優秀触媒性能示す。しかしこれら触媒も、希少埋蔵量、高コスト、単一触媒活性、劣化安定性など欠点抱え、大規模応用深刻阻害[13]。したがって、優秀両機能ORR/OER触媒性能持つ安価触媒開発がフレキシブルZAB商業化に不可欠。非貴金属、特に遷移金属が高活性優秀熱安定性で広く注目。さらに炭素系触媒は、構造柔軟性、優秀電気伝導性、良好化学熱安定性、簡単化学官能基化、軽量など顕著利点持ち、ウェアラブル電子製品有望候補材料見なされる。優秀CC（カーボンクロス）ベース空気カソード複数存在するが、主要課題1つはCC上均一成長可能優秀伝導性材料特定。材料がCC上無秩序成長時、触媒活性サイト数減少。従来ZAB水系電解質使用、固体フレキシブルZAB要件満たせない。したがって優秀性能示す固体ZAB多くはゲル電解質使用電気伝導、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド（PEO）、ポリアクリルアミド（PAM）、ポリアクリル酸（PAA）など。これらゲル電解質ZAB増加使用、強い可塑性良好伝導性持つため。具体的にポリアクリル酸ナトリウムがアルカリ電解質緩衝効果で水系ゲル電解質実用応用安定[1]。

近年フレキシブルZAB研究増加、実用生産応用理論基盤提供。Zhuらが1次元電池詳細レビュー発表[14]、Shiらが両機能触媒詳細紹介[15]するも、過去5年特にフレキシブルZAB含む炭素系触媒最近進展報告されていない。したがって本稿では、炭素系触媒合成戦略と空気電極電気触媒性能最適化総括、フレキシブルZAB触媒適用時固有活性サイトと電気触媒メカニズム分析重点。

デザイナー炭素系電気触媒

炭素系材料優秀特性でZAB触媒広く使用。主にグラフェンベース材料（機能化グラフェン、グラフェンプロファイル含む）だが、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ（CNT）も使用[16]。しかし炭素系材料実用ZAB応用で多く欠陥抱える。したがって炭素材料適用処理最適化必要。例としてNドープ多孔質炭素材料がORR/OER優秀両機能電気触媒性能示す[17, 18]。炭素材料修正多様手法中、N、P、Sなど単一原子ドーピングが触媒活性大幅向上可能。この見地で、NとP共ドーピング使用研究者おり、共ドープ触媒優秀活性示すこと判明。さらに単一金属ドーピング、二元金属ドーピング、ナノ材料なども炭素材料触媒性能最適化に明確正効果。しかしZAB用高性能電気触媒開発手法はほとんど探求されず。研究では、グラフェンやCNTなど炭素材料ドーピング修正で表面特性最適化可能示す。触媒性能最適化最典型戦略は、ヘテロ原子ドープ炭素ナノ材料と遷移金属ベース材料（酸化物、硫化物などNiベース硫化物[19-21]、遷移金属リン化物（TMP[22]）、窒化物）複合化。ZAB電気触媒依然多数短所抱えるため、触媒構造最適化不可欠。現在、電子構造調整、酸素欠陥、金属-酸素結合、界面歪み、原子ドーピング広くZAB触媒設計使用。

フレキシブル電極上高効率触媒成長

フレキシブル電極はフレキシブルZABガス拡散層で表現。高効率触媒フレキシブル電極直接成長で空気カソード形成、自立型、大電極接触面積、強い折畳み性利点。自立型意味は非導電接着剤不要、電極繰返し変形時性能劣化と触媒損失回避。さらに非導電接着剤使用による活性サイト減少と界面インピーダンス増大回避。拡張可能電極上触媒成長は電析、水熱法、室温硫化など他手法組合せ可能。一般的フレキシブル電極には窒素ドープ炭素フォーム、カーボンファイバークロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト含む、優秀電気伝導性持つ。

カーボンファイバークロス上高効率触媒成長

カーボンファイバークロスは炭素繊維織物構成、最も一般的フレキシブル基板材料。高効率触媒カーボンファイバークロス直接成長は簡単効果的方法、溶液反応（図1a-c）、電析、他手法組合せ（限定空間、熱処理[2]（図1d、e）、炭化酸化CC、配位子支援焼成（超薄膜CoOₓ層調製[23]）等）達成可能。炭化酸化例には、CC上異結晶構造、形態、粒子サイズ3Dと2DコバルトベースMOF成長でバインダーフリーカソード調製、続く層状Co₃O₄ナノ粒子窒素ドープ炭素ナノアレイアンカリング[24]含む。ナノファイバーネットワーク窒素雰囲気CC上根付き、優秀触媒性能顕著柔軟性持つ両機能空気カソード取得[25]。電析法広く電極材料調製使用されるも、Co₃O₄固有劣伝導性で従来電析法は導電担体上大接触面積Co₃O₄層形成に限界。Co₃O₄カーボンファイバークロス上インシツー成長で均一成長超薄膜Co₃O₄層形成可能。特に超薄膜Co₃O₄層は導電担体上最大接触面積持ち、迅速電子輸送促進、電極調製過程超薄膜層凝集防止[26]。さらにCo₃O₄ナノマイクロアレイ層状構造変換可能[24]（図1f）。この超薄膜コバルト酸化物層もZAB電気触媒使用可能[23]（図1g）。

自作フォーム材料上効率触媒成長

自作フォーム材料主に炭素フォームとニッケルフォーム指す。Panらが800℃焼成メラミンスポンジ使用フレキシブル発泡炭素材料形成、スケーラブル電析法でFe-Co₃O₄NWS@NCFs前駆体電析、全固体スポンジ電池応用可能[27]（図1h）。ニッケルフォーム材料は網目状金属スポンジタイプ。Jiangらがフレキシブル基板上インシツー触媒電極成長が無秩序・密集不規則領域形成し触媒活性低下指摘。したがって、1D CNTを0Dコバルトナノ粒子装飾（MPZ-CC@CNT称）と2D炭素ナノリッジをニッケルフォーム材料上構築した順序多次元アレイ構築。2D ZnCo二元配位フレームワーク熱分解時、高分散コバルトから高Nドープ含有CNTがインシツー成長、開放順序アレイ形成[28]（図2a）。

カーボンフェルト上高効率触媒合成

カーボンフェルト不織布。Yuら[29]がカーボンフェルト担持Co-N-Cナノシート（Co/Co-N-C）新規戦略開発、3D層状構造Coナノアイランド含む（図2b）。この異常構造はCoナノアイランドとCo-N-Cナノシート良好接触結果。さらにCo⁰とCo²⁺共存が両機能（ORR/OER）触媒電気触媒性能向上。したがって全体ユニーク層状構造がORR/OER効果的電子/イオン輸送更促進[29]。3Dナノ電極カーボンフェルト成長追加で、ナノスケール超薄膜コバルト酸化物（CoOₓ）層もカーボンフェルト（金属Co/Nドープグラフェン基板）上製造可能[23]。この超薄膜構造がZAB応用有利条件提供。

カーボンペーパー上高効率触媒合成

カーボンファイバーペーパー（CFP）は炭素繊維構成、抄造プロセス生産。CFP使用で非金属電気触媒（g-C₃N₄など）ORR/OER性能改善可能。g-C₃N₄高窒素含有で電気触媒反応十分活性サイト提供、ORR電位低減[30]。しかし非伝導性由来劣電子移動能力で電気触媒性能大幅制限[30]。g-C₃N₄異形態異熱処理法で調製可能[30]。g-C₃N₄処理適用で触媒ORR/OER性能最適化：1）g-C₃N₄テンプレート使用高効率触媒合成[31, 32]、2）g-C₃N₄支援熱分解戦略適用[33-35]、3）g-C₃N₄炭素導入。リンドープg-C₃N₄がCFP直接成長可能、フレキシブル酸素電極設計可能。これは薄ナノシート構成花状Pg-C₃N₄とCFP組合せ形成初非金属ORR/OER両機能電気触媒。電気触媒は高N含有3Dハイブリッドネットワークと大量Pドーピング含み、優秀ORR/OER活性耐久性[36]、曲げ変形時も良好充放電性能示す。

限定空間内高効率触媒合成

限定空間内高効率触媒合成はドーピング効率向上、熱損失低減、メソポーラス特性増加でORR性能改善。限定空間は分子ふるいナノチャネル（モンモリロナイト、2-4-6トリピリジルトリアジン、CNT、炭素ナノシート、ドープ炭素層等）可能。多数実験で限定空間調製触媒が改善触媒効果示すこと実証。限定空間内遷移元素と非金属元素ドーピングが触媒効率大幅向上。NとS共ドーピング[13]、NとP共ドーピング[12]、二次元窒素ドーピング[37, 38]等報告。さらにプラズマ支援戦略ドーピング限定空間使用時、プラズマエッチング効果が限定空間多孔性付与、より多く活性サイト露出、電気触媒長期耐久性効果的電子輸送促進[39]。Zhangらがソフト膜法で多孔質炭素ナノボウル包み込みFe₃O₄調製、優秀触媒性能長期耐久性実証[40]（図2c）。Co₃O₄ナノ粒子が部分剥離多層CNT窒素ドープ上アンカリング、傑出触媒性能結果[41]（図2d）。

高効率フレキシブル触媒組合せ

複合触媒は同材料異形状単機能触媒、または異材料両機能触媒構成。Xuらが配向、クロススタック、多孔質CNTシート同時設計で単機能ORR空気カソード達成、CNTシートがガス拡散層、触媒層、集電体機能果たし、新規繊維状フレキシブル伸縮可能ZAB合成[42]。フレキシブルZAB空気カソード触媒典型的に不十分ORR/OER触媒活性、高温高圧酸/アルカリ溶液等厳しい合成条件必要。両機能空気触媒問題追加で、空気カソード機械特性が基板機械特性強く依存、空気カソードシート形状多様性と変形性欠如結果。この基盤でLeeらがOER用複合高効率フレキシブル触媒とORR用窒素ドープCNT使用[43]（図2e）。単一体ヘテロナノマットペーパー空気カソードが1D両機能触媒混合物、セルロースナノファイバー、ポリテトラフルオロエチレンナノ粒子構成、従来集電体ガス拡散層不要[43]。Zhangらが中空NiCo₂O₄ナノスフィアとNドープ炭素ナノメッシュ構成新規NiCo₂O₄/Nドープ炭素ナノメッシュ両機能電気触媒合成[40]。両機能電気触媒液相合成後熱処理、電池組立。

自作フレキシブルカソードフィルム

LiuらがAr雰囲気下電気紡糸ポリイミド（PI）フィルム熱分解でナノポーラス炭素ナノファイバーフィルム（NCNF）調製。図2f示す通りNCNF柔軟性高機械的引張強度持つ。NCNF引張強度1.89 MPa、引張弾性率0.31 GPa。NCNF 3Dナノポーラス炭素ネットワーク構造と大比表面積持ち、短高速電子/イオンパス豊富ガス拡散チャネル提供。より重要なのは電極設計がポリマーバインダー排除と製造プロセス簡素化、電池サイズコスト最小化利点持つ。NCNF空気カソード含むフレキシブル全固体充電式ZABが高放電電圧（~1.0 V @ 2 mA cm⁻²）、低充電電圧（~1.8 V @ 2 mA cm⁻²）、高エネルギー密度378 Wh kg⁻¹、優秀機械的循環安定性示す。これら結果ZAB大規模応用可能性示唆[44]。

ZAB触媒性能最適化戦略

過去数年、ORR/OER安価高効率電気触媒研究急速発展。電気触媒中具体的触媒プロセスについて多く論争あるが、触媒内より多く効果的活性サイトがより良い触媒活性導くことは確実。ZAB触媒性能最適化プロセスで、炭素原子ドーピングが相乗効果と構造欠陥、電子構造、配位環境、触媒構造調整導く。したがって特定原子で炭素材料ドーピングにより触媒電気触媒効果改善可能。原子ドーピングは単一原子ドーピングと多原子ドーピング分類可能、原子は金属原子またはヘテロ原子。単一原子ドーピングも多原子ドーピングも触媒電気触媒性能改善可能。

原子ドーピング

組成分析と密度汎関数理論計算でYuらがNドーピングが触媒伝導度と酸素吸着能力効果的改善示すも、過剰Nドーピングが反応動力学低下招くこと確立[45]。ヘテロ原子ドーピングで相乗効果と構造欠陥達成可能。

単一原子ドーピング

ヘテロ原子（N、P、S等）と金属（Fe、Co、Mn等）単一原子ドーピング使用可能。中でもNドーピングが炭素上最一般的単一原子ドーピング。Nドーピングで電子輸送効率と酸素吸着強度増加、触媒反応動力学改善、欠陥生成とより多く活性サイト露出結果。例としてYuらが実験調査とDFT計算でNドーピングがCo₃O₄ナノワイヤ電子伝導度とO₂吸着能力大幅改善実証[45]。シート間隙で、Co[5]、Ni、Mn[46, 47]（図3b、c）、Fe、Cuなど遷移金属がグラフェン、CNT等活性基板材料上ドープ可能。また独自構造物理化学的特性持つ2Dヘテロ原子（N、P、S[22, 48]、B[49-54]等、図3d、e）が触媒電気化学的電気触媒性能改善確認済み。

多原子ドーピング

多原子ドーピングはヘテロ原子共ドーピング（N-S、N-P、N-B等）とヘテロ原子金属共ドーピング[55]（Fe-Co-N[56]、Mn-N[57]、Fe-N[58]、Co-Fe-N-P[12]、Co-Fe-N[39]、Co-Mn-N-P[59]、Co-Cu-N[60, 61]、Co-Cu-P等）含む。一方ヘテロ原子ドーピングが触媒相乗欠陥効果効果的生成、高触媒活性導く[62, 63]。他方遷移金属原子とヘテロ原子共ドーピングが触媒酸素還元性能効果的改善確認[64, 65]。さらに多金属とヘテロ原子間相乗効果が触媒電気触媒活性増加存在。多金属が触媒伝導度と酸化状態改善、触媒電荷移動量[66]と電気触媒性能[60]増加。例としてDiaoらがDFTでCuドーピングがCo隣接より正サイト導き、表面活性サイトと吸着中間体結合力弱め、質量電荷移動速度と活性サイト露出増加実証[61]。図3a示す通りCuドープCo₂PでCu原子隣接Coサイト明確電子枯渇発生、CuドーピングがCo₂P電子分布変更示唆[22]。

相乗効果

触媒相乗効果は、複数元素（金属または非金属）または化合物組合せ時、それら単独使用時比較で触媒活性顕著増強と定義可能。相乗効果は触媒基板電子構造制御支援、電気触媒活性増強[37, 67]、強い配位生成しより多く活性サイト生産[56]可能。この協力は以下カテゴリ分類可能：

• 高活性金属/非金属グループが伝導性ドープ炭素/窒素基板と相乗効果経験。例として金属-窒素-炭素（M-N-C）化合物[68-70]、Co-N-C化合物等。Co-N-C活性サイトがCoとNドープ炭素間インターフェース存在可能、O*形成/堆積促進。さらにCo-Nₓサイトと炭素マトリックス埋め込みNが非貴金属ORRハイブリッド触媒活性サイト示す[68]。他例は遷移金属（Co、Fe）Nドープ炭素[39, 71, 72]、ピリジンN[58]、グラファイト化N[71]、Co-アゾ種[71]、N、P共ドープ材料、優秀電子輸送パス高比表面積持つ層状Nドープヘテロ多孔質炭素ナノファイバー[10]、グラフェンナノコンポジット。グラフェンナノコンポジットはグラフェンナノシート（GN）上CoSeとニッケルセレナイドナノ粒子インシツー水熱成長合成。複合ナノ粒子とグラフェン相乗効果が触媒電気化学性能増強[73, 74]。最重要は金属中心とピリジンN強い配位がピリジンN-M活性サイト形成促進証明、電子豊富ピリジンNが金属中心へ電荷移動効果的加速、ORR活性大幅改善[75, 76]。

• 金属間相乗効果が触媒に合金効果付与、システム電子構造調整、酸素組合せ最適化[74, 77]。二元金属活性サイト酸素電気触媒相乗効果以前研究済み。NiCo₂S₄@g-C₃N₄-CNT統合フレキシブル電極では、電子が二元Ni/Co活性サイトからg-C₃N₄豊富ピリジンNへ移動、カップリング伝導性CNTと協力し可逆酸素電気触媒促進。理論計算でピリジン金属-N種（Ni、Co-N₂）が二元Ni/Co原子独自共活性化効果持つ示唆。dバンド中心低下促進、酸素中間体吸着/脱離促進、反応動力学加速。CoドープFe-O₄N@NCナノシートアレイでは金属中心がピリジンN強い配位効果生成、FeとN共ドーピングがORR大量ピリジンN-M活性サイト形成大幅促進[78-81]。ハイブリッド多孔質Co₃O₄ MnO₂アンカーではCoとMn結合効果生成、電子輸送速度加速、バッファゾーン形成、触媒表面生成物分離加速[82]。別例はCoナノ粒子持つCuとCo修正NドープGN[60]。さらにCo₂P@CNF傑出電気触媒活性は、Co₂Pナノ結晶とCoNₓとN、P共ドープ多孔質炭素コーティング強い相互作用説明可能、界面電荷輸送増強とCo₂P電気触媒活性制御結果[83]。シンプルワンポット水熱合成で新規2D MoSe₂-Ni(OH)₂材料も調製。独自垂直配向ナノシート構造持つ2D MoSe₂-Ni(OH)₂ナノハイブリッドが大量電気化学活性比表面積提供、電解質イオン拡散長短縮、電気化学反応動力学改善[84]。

構造欠陥

格子歪み、破れたストライプ、コーナー縁サイト等欠陥が触媒活性正効果持つと見なされる。DG（欠陥グラフェン）縁欠陥がORR/OER自由エネルギー変化低減、触媒活性伝導度改善実証[85]。例としてP原子Nドープ炭素マトリックス導入が相乗欠陥効果とN-P構造効果的生成、OER/ORR触媒性能最適化[12]。一方H₂[86]とArプラズマエッチングも豊富欠陥構造材料形成使用可能。

電子構造と配位環境調整

触媒電子構造について、ドープヘテロ金属陽イオン等欠陥導入で触媒表面電荷分布調整可能と広く推定。酸素空孔（VO）[77]含む欠陥が触媒活性サイト数増加または触媒新規触媒活性付与可能[87]。VOはArプラズマエッチング達成可能[88]。アルカリ媒質では効率的ORR触媒が酸素完全還元し4電子還元プロセス経由ヒドロキシド生成可能、一方劣ORR触媒が2電子移動プロセス中途で反応系列終了。例としてLianらが金属中心3D軌道配置が酸化状態と電子状態調整でORR促進証明。また局所配位が標的酸化還元物質変換率更加速[10]。Co原子も異なる可能価数状態で優秀活性。Co²⁺とCo³⁺各々Co₃O₄四面体と八面体サイト占有、OER電子移動促進助け[11]。さらにCo₃O₄表面超薄膜NiFe層状二重水酸化物（NiFe LDH）堆積が、電子供与/吸収効果変更でCo、Ni、Fe表面化学価数調整、ORR/OER性能バランス最適化結果[89]（図3f）。

ポア構造数増加

ナノ構造材料豊富ポア構造と多数メソポーラスチャネル持つ、酸素伝送チャネル修正[11]、酸素分子捕捉時間延長、触媒活性サイト相互作用増強で重要役割果たす。一部ナノ構造材料2D/3D構造[90]示し、より大比表面積と三相界面数増加。合理的設計で大比表面積高伝導性ナノ構造多孔質材料構築可能、より多くナノ粒子電解質直接接触確保、活性材料電解質間抵抗低減[83]。豊富ポア構造が電荷間電荷移動拡散加速、物質移動増加、触媒性能改善[11, 39]。ナノ構造材料表面安定低屈折率持ち、Pt表面類似酸素吸着エネルギー示す可能[91]。この特徴は触媒高効率触媒性能必要条件一部。ZAB空気カソード用ナノ構造材料にはNi₃C/NCナノシート（2D）、Ni₃S₂/Niナノシートアレイ[1]（図3g）、均一多孔質Co₃O₄ナノ粒子/ナノシート[11, 45]、NドープCNT（通常活性基板使用）、中空NiCo₂O₄ナノスフィア、NドープCNT[92]、MoSe₂/Gナノハイブリッド[93]等含む。

触媒構造調整

反応触媒ため合理的構造触媒必要。スピネル構造遷移金属酸化物が過電位低減助け、触媒エネルギー変換効率改善[82, 94]。触媒2D/3D構造が活性サイト電解質間拡大接触面積で優秀触媒活性結果可能。例としてCoドープNiOナノポーラスフラワーでは、2D六方フレームとナノシート側面多数ナノポア相乗効果がO₂吸着/拡散効果的触媒活性サイト数増加[5]、ユニーク3D層状Co/Co-NCシステム構造が効率的活性サイト数提供[29]。他例は新規グラフェン水素/Bドープ量子ドット複合材料でユニーク3D構造高多孔性大比表面積持ち、豊富触媒活性サイト強化電解質物質移動イオン拡散示す[95]、CC直接成長2D Co-MOFが3D Co-MOF成長十分スペース提供、層状3D-on-2D MOFシステム構造形成。排他3Dまたは2D MOF比較でより多く触媒活性サイト露出[24]。さらに3Dフレームワークが電解質完全浸透促進、多孔質ネットワーク構造電子輸送促進[41]。また触媒材料体積微小化も触媒効率改善可能。例として原子スケール超薄膜CoOₓ層が電子伝導効果的加速、豊富活性サイト提供、ナノシートCo酸化導入で露出活性中心数増加理由[23]。別例はシンプルエコノミカルゾルボサーマル還元技術調製2D La(OH)₃-グラフェンナノハイブリッド、2D GN上静電気アンカーでランタン水酸化物凝集防止、反応複数電気化学活性中心提供[96]。

結論と将来展望

現在ZAB研究ある程度実質的進歩遂げたものの、自立型フレキシブルカソード合成新手法開発、電気触媒メカニズム探求、優秀触媒性能持つフレキシブルカソード合成適切材料特定等広範課題残存。ZAB重要触媒材料1つとして炭素系触媒が大比表面積、豊富活性中心、良好電気伝導性で大きな注目集める。しかし炭素材料依然欠点抱え：CNT不確実毒性、他フレキシブル電気触媒材料より高コスト、異基板上劣再現性、天然バイオマス由来炭素材料相対的劣柔軟性伝導性、適用ウェアラブル電子デバイス性能制限。触媒微細構造と原子ドーピング効果、触媒電子分布と電気触媒酸素還元性能内部関係について広範研究が、金属イオン、N、S、P等ドーピング要素活性サイト実際役割効果的特定と炭素触媒電気触媒ORRプロセス理解深化に重要役割果たす期待。安価高性能炭素系非貴金属ORR触媒開発貢献期待。炭素系フレキシブル電子製品が人間脈拍呼吸数検出使用済み[97]。炭素系フレキシブルZAB触媒ベース更多機能フレキシブル電子デバイス将来商業化信じられる。

データと資料の入手可能性

該当なし。記事内すべて画像引用済み。

略語

ZABs:

亜鉛空気電池

ORR:

酸素還元反応

OER:

酸素発生反応

CC:

カーボンクロス

PEO:

ポリエチレンオキシド

PAM:

ポリアクリルアミド

PAA:

ポリアクリル酸

CNTs:

カーボンナノチューブ

TMP:

遷移金属リン化物

CFP:

カーボンファイバーペーパー

DFT:

密度汎関数理論

DG:

欠陥グラフェン

VO:

酸素空孔

NiFe LDHs:

NiFe層状二重水酸化物