본 연구는 Nb와 Si 동시 도핑을 통해 양성자 교환막 연료전지(PEMFCs)의 TiO2 지지체 소재를 향상시켜, 탄소 부식 취약성을 회피하면서 전기촉매 성능의 획기적 향상을 달성하고자 하였다. Nb, Si를 공동 도핑한 TiO2(NSTO)를 설계하여 물리화학적 특성과 전기촉매 효율을 향상시켰으며, 이는 Nb 단독 도핑 TiO2(NTO) 및 탄소 주입 시스템을 상회하였다. 실리콘 도핑은 전자 띠 구조를 변화시키고 표면 화학성을 향상시켜, 강한 금속–지지체 상호작용 및 산소 공공(oxygen vacancy) 농도를 유의하게 증가시켰으며, 그 결과 전기 전도도와 NSTO의 견고한 안정성이 향상되었다. 이는 백금과의 상호작용을 강화하고 산소 환원 반응 성능을 향상시키는 것으로 이어진다. 초기 평가 결과, NSTO는 탄소 부식과 관련된 위험 없이 상용 Pt/C에 비해 우수한 내구성과 촉매 효율을 제공하였다. 다양한 조건에서 단일 스택(single-stack) 셀 시험을 수행한 결과, 반쪽전지 시험에서 10,000회의 가속 열화 시험(ADT) 사이클 후 및 단일 스택 셀 시험에서 5,000회의 ADT 사이클 후에도 전기화학적 활성의 열화 없이 유망한 성능을 보였다. 본 연구는 PEMFCs를 위한 우수한 지지체 소재로서 NSTO의 잠재력을 입증하며, 연료전지 기술의 지속가능한 발전을 위한 기반을 마련한다.

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