프로톤 교환막 연료전지(PEMFC)에서 백금(Pt) 사용을 최소화하는 것은 PEMFC 시장을 확대하는 데 필수적이다. 가장 직접적인 접근법은 Pt 입자의 크기를 줄이는 것이다. 그러나 크기가 특히 <2 nm인 작은 Pt 클러스터는 산소 환원 반응(ORR)에서 흔히 산소 중간체의 과도한 흡착으로 인해 촉진 활성이 감소한다. 또한 이러한 작은 Pt 클러스터는 더 빠르게 열화되는 경향이 있어 내구성이 낮아진다. 본 연구에서는 PEMFC의 캐소드에서 높은 활성과 내구성을 보이는 탄소-지지(탄소 매립) Pt 합금 클러스터 촉매(PtFe, PtCo, PtNi)를 제시한다. 밀도 범함수 이론 계산 결과, 탄소 원자는 PtFe 클러스터의 Fe 자리(사이트)에 안정적으로 흡착하며, 그에 따라 인접한 Pt 자리가 산소 중간체에 대한 최적 흡착 강도를 갖는 ORR 활성 자리로 작용함이 확인되었다. 본 연구는 PEMFC에서의 Pt 사용량을 크게 줄이면서도 내구성과 효율을 갖춘 ORR 촉매 개발을 위한 길을 열 수 있다.

저Ir 전기촉매는 수소 경제의 발전을 위해 필요한 대규모 고분자 전해질 막 물 전기분해(PEMWE) 설비의 개발에 있어 핵심적이다. 그러나 저Ir 전기촉매의 성능과 내구성은 만족스럽지 못하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 고결정성 탄소(HCC) 지지체 위에 셀레늄-개질 Ir 나노입자를 제조하였다. HCC 지지체의 도입은 Ir 사용량을 효과적으로 감소시켰으며, Se 도입은 Ir의 열화(저하)를 완화하였다. Se 친핵체는 Ir의 전기화학적 산화를 억제하여, 초박막 IrOxHySez 껍질과 결정성 Ir 코어를 특징으로 하는 독특한 나노구조의 형성으로 이어졌다. 이론적 계산 결과, Ir의 전자 구조와 *O에 대한 결합 친화도가 변화되어 촉매 활성도가 향상됨이 나타났다. Ir-IrOxHySez/HCC는 소량의 Ir(0.05 mg·cm–2)로도 우수한 PEMWE 성능을 보였으며(Ir 질량당 비특정 동력 23.69 kW·gIr–1; 내구성 370 h), 따라서 탄소 지지체와 친핵체 유도 나노구조를 활용하는 전략은 Ir 사용량을 줄이면서 장기적인 PEMWE 성능을 확보하는 데 기여할 수 있다.